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从浪花到塑料 化学的身影在日常生活中无处不在

2017年01月03日 11:38:00   来源:网易科技
从浪花到塑料 化学的身影在日常生活中无处不在

  图为石墨烯分子的结构。石墨烯由一层碳原子构成,是已知最薄同时强度最大的材料之一。美国国家科学基金会(NSF)正在资助石墨烯材料的研究,期待在未来能够产生超低成本和功耗的下一代电子材料。这种材料有可能具备可折叠和可弯曲特性。

  60多年来,NSF一直在支持化学科学的创新研究,涵盖了从环保生物塑料到发光蛋白质等多个方面。NSF尝试通过普及化学研究与教育来增强其国家竞争力

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  壁虎是生活中常见的生物。这种小动物飞檐走壁的的能力让人叹为观止,独特的脚掌结构让它们无论在任何角度任何材料上都能攀爬自如。

  当壁虎把它们的脚掌贴在墙壁表面时,脚趾上数百万个刚毛(微小的头发状结构)的原子与墙壁原子相互作用。产生化学键使电子重新排列,在脚掌与墙壁之间产生被称为“范德华力”的电吸力。

  受壁虎脚掌结构的启发,科学家正在开发一种新型胶带。通过在柔性聚合物上根植纳米管,粘合性比壁虎脚掌还要好上好多倍。科学家预计这种新技术在从微电子学到日常家居等多个领域中用途广泛。

  图为不同种类壁虎的脚掌结构。

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  不同材料对水的反应各不相同。疏水材质表面因为没有吸引力而排斥水,另有一些亲水材料则更愿意同水亲密接触。一般的材料要么疏水要么亲水,但也有些材料同时具备疏水和亲水两种特性。

  NSF正在资助一项对纳米比亚甲虫的研究。这种甲虫的背部是亲水和疏水材料的完美有机结合。甲虫的背部壳上有很多隆起,各个隆起的顶端是亲水性的,这使它可吸住沙漠中珍贵的水份;隆起之间的斜坡和低谷则是疏水性的,这样甲虫只要倾斜身子就能让水流到嘴里。

  工程师正在制造防甲虫背的材料。这种超疏水性材料已经运用在防水鞋、衬衫和手机上。未来有可能应用到节能发电厂和自清洁窗户上。

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  在某些时候,地球表面有70%会被云层覆盖,这些云层能对地球产生冷却效果。云层还参与二次有机气溶胶的形成,这是大气中的挥发或半挥发性有机物在阳光下多次氧化而形成的污染物,是空气中悬浮颗粒的主要成分之一。NSF正在帮助研究人员开发新的化学模型,以更好地评估全球气溶胶污染,同时也有助于全球和各地的气候研究和空气保护。

  图片为夏威夷Mauna Kea火山上的荚状云。

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  这张图显示了海浪模型在分子层面的横截面。它由蓝色的水、绿色的钠离子和红白的有机分子构成。

  海水中富含盐和其他溶解物。之前科学家认为离子——例如钠或氯化物等带电粒子——被埋在水中。然而,计算机生成的海浪模型显示,一些离子位于水的表面。这个发现提醒人们,海水表面和海浪中的离子可能与大气中的化学物质发生反应。海浪在云的形成中起到重要作用,进而对全球气候也有影响。

  为了更好地理解海浪和云层之间的关系,NSF资助研究人员通过重建海洋大气环境,研究海水中的化学变化如何影响云的形成,从而更好地了解海浪对天气和气候变化造成的影响。

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  甜味历来被认为是最具幸福感的味道。作为一种碳水化合物,糖所能做的不仅仅是满足你的口腹之欲。其本身稳定、可溶解的结构也可以用来构建尺寸在十亿分之一米的微型支架。

  研究人员首先将糖做成长链,然后用可降解的聚合物覆盖糖链表面,再使糖在水中溶解,最后剩下中空的聚合物。研究人员称未来这种微型管可以用在神经修复上。

  图为扫描电子显微镜拍摄到的涂盖蓝色聚合物的糖链。

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  晶体材料含有高度有序的原子、分子或离子、通常以几何形状排列。若你仔细观察盐晶和糖粒,它们都有相似的晶体结构。以其独特的物理特性和硬度著称的钻石(又称金刚石),就是另一种典型的晶体。

  氮化硼具有比钻石更坚硬的结构。它是目前已知硬度最高的晶体。它在高温下仍能保持稳定(不同于钻石),因此被运用在诸如钻头和其他产热工具的尖端。

  科学家正在利用氮化硼打造新型电子和光学材料。

  图为氮化硼纳米管。

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  从饮料水瓶到游乐场设施再到个人护理产品——塑料已经占领了地球的各个角落。作为一种聚合物,塑料由重复单元组成的长分子链组成。造价低、用途广和优异的耐用性让塑料成为日常生活中最常见的材料。另一方面正因为其太耐用了,降解困难反而成了难题。

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