本期导读：

1.激光超声波检测金属3D打印中的缺陷特征

2.利用生物技术回收温室气体

3.用于可穿戴设备的自供电“单端”触觉传感器

4.一种分子电子学中的新测量方法

激光超声波检测金属3D打印中的缺陷特征

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) 的研究人员研发了一种新的全光学超声技术，可按需对熔体线进行表征，并能够在金属3D打印过程中检测缺陷的形成。

研究人员提出使用基于激光超声波产生表面声波(SAW)的诊断方法，该方法可以检测到激光粉末床熔合(LPBF)金属3D打印中的微小表面和亚表面缺陷。该团队报告指出，开发的系统可以通过快速检测到的熔体线、空隙和表面特征中的散射声能来有效准确地评估激光熔体线——激光在LPBF打印中液化金属粉末的轨迹。该团队使用光学显微镜和X射线计算机断层扫描(CT)验证了这些发现。

表面声波历来被用于表征工程材料中的裂缝、凹坑和焊缝等表面和近地表特征，并在地质学中以更大的长度尺度用于检测洞穴等地下特征。据研究人员称，由于其表面和近表面敏感性，表面超声诊断方法非常适合表征激光粉末熔合金属3D打印中的熔体线等缺陷。

该团队还进行了仿真模拟，以验证并帮助解释结论。他们模拟并测量了脉冲激光的位移，并显示了熔体线的散射，以及熔体线的断裂、熔体线附近的金属飞溅物和熔体线下方的地下气孔。该团队还对相同的特征进行实验测量，并观察到模拟和实验之间具备极好的一致性。

来源：LLNL

利用生物技术回收温室气体

丙酮和异丙醇是重要的工业化学品，可用于生产喷气燃料、溶剂、清洁剂、塑料等工业品。目前，工业上是从石油中提取这两种化学品，这个过程会释放出二氧化碳和其他温室气体。

研究人员现在已经开发出一种新的发酵工艺，可以有效地将一氧化碳气体转化为丙酮和异丙醇。研究人员基于基因组分析、计算机建模和胞外的代谢途径优化技术设计了一株工程菌，可以将碳废物转化为有价值的材料。

科学家们开发出一种将工业、农业和城市废气转化为重要化学品的工艺。这个过程捕获的碳气体比它释放的多，科学家称之为“负碳”生物制造。新方法使工业能够可持续地生产塑料、燃料和其他化学品。这种方法还可以更快地开发基于细胞的生产方法，这将减少温室气体排放和工业活动对环境的其他影响。

用于开发生产商品化学品丙酮和异丙醇的新型负碳途径的跨学科方法

橡树岭国家实验室、LanzaTech公司、美国西北大学和田纳西大学的研究人员使用跨学科方法筛选并优化了一株工业菌——自产乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum），使其最大限度地利用废气发酵生产丙酮和异丙醇。科学家们首先搜索了一系列工业菌株的基因组，以寻找产生丙酮和异丙醇的优质酶；并测试了这些酶的多种组合，以选择最有效的工程酶组。然后，该团队使用计算建模、无细胞酶筛选和蛋白质组学分析等技术进一步优化了这些代谢途径，以识别代谢瓶颈和竞争途径。最后，研究人员进行了工艺调整，并将发酵规模扩大至120L，可实现废气到丙酮、异丙醇持续高效的稳定转化。

这种新的生物制造技术可以捕获碳废物，并发酵生产丙酮与异丙醇，在减少化石原料使用的同时降低碳排放甚至回收转化温室气体，该团队也通过生命周期分析证明，相较于传统化石生产工艺，生物发酵方法减少了165%的温室气体排放。 

来源：Nanowerk

用于可穿戴设备的自供电“单端”触觉传感器

在过去的几十年中，研究人员开发了一系列触觉传感器，这些传感器用于制造机器人皮肤、假肢、触觉设备以及可穿戴或植入式设备，构成了人工感觉系统的基本平台。例如，模仿人类指纹的高灵敏度柔性触觉石墨烯传感器、由喷涂触觉传感器制成的机器人电子皮肤、用于可穿戴电子设备的石墨烯触摸传感器，或受皮肤启发的触觉存储设备等。

浦项科技大学教授、韩国智能嵌段共聚物国家创新研究计划负责人Jin Kon Kim说：“生产实用触觉传感器的几个技术问题已经得到深入研究，并在可变形性、重量轻、灵敏度、信号分析和数据反馈方面取得了显著进展。然而，低功耗和简单的设备结构仍然是巨大的技术挑战。”

在触觉传感器的潜在电源中，摩擦电纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机已经被证明可以在微弱的外部刺激下产生自供电的高电位信号。尽管前景光明，但在目前仍然存在明显劣势。在之前展示的摩擦电触觉传感器中，每个传感像素都已单独连接到控制板的电极垫。但是，从结构简单的角度来看，使用大量连接线的方案是不可取的，因为传感器需要分布在三维可变形的身体部位中。

为了解决这个问题，Kim和他的团队设计了一种自供电的“单端”触觉传感器，可以区分单个电极上的各种运动。他们通过使用一种热塑性聚合物来做到这一点，这种聚合物可以很容易地改变选择性区域的静电信号。

文章发表于《Nano Energy》（“Triboelectric UV patterning for wearable one-terminal tactile sensor array to perceive dynamic contact motions”）。

研究人员使用的热塑性聚合物在紫外线照射下会发生化学结构变化。他们利用这种材料制造了一种装置，其中静电信号与紫外线照射时间成比例增加。为了制造这种传感器，研究人员将一个由银片制成的可伸缩底部电极嵌入薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底中。然后他们在基底上涂一层BCP膜，并通过掩模用紫外线（254 nm）照射它。通过掩模狭缝施加不同时间的紫外线照射，以控制图形的摩擦电性能。由于紫外线照射没有引起拓扑变化，因此BCP薄膜表面是光滑的。紫外线图形之间的空间作为紫外线照射区域和非紫外线照射区域之间的势垒发挥了重要作用，通过阻止电荷的表面扩散将摩擦电荷限制在图形内。

“我们成功地制造了一种摩擦电图形化触觉传感器(TPTS)，它通过UV图形产生各种静电信号，在单个电极上只布有一条线，”Kim说。“因为这个概念可以简化复杂的电路设计，它对未来的大面积触觉传感器或人造皮肤有很大的贡献。”

可穿戴摩擦电图形触觉传感器（TPTS）阵列的方案

注：这些图形是通过紫外线照射在热塑性嵌段共聚物薄膜上制成的。TPTS只使用一个信号端子。当TPTS放在手掌上时，可以捕捉到动态的触摸动作。（图片由研究人员提供）

正如该团队在他们的论文中展示的那样，简单的结构化TPTS阵列可以感知触摸的位置和顺序、触摸对象的形状以及对象的动态运动（滑动、滚动）。由于该团队的新方法可以大大简化触觉传感器的电路设计，因此它可以作为大面积传感的基础平台应用在机器人皮肤、假肢、触觉设备和可穿戴/可植入设备等人工感官系统中。

尽管他们已经验证了TPTS信号的可靠性并通过接地降低了内部噪声，但研究人员仍然需要彻底消除可穿戴传感器中常见的运动伪影。近年来正在开发的基于人工智能的解码技术将有可能解决这一问题。 

来源：Nanowerk

一种分子电子学中的新测量方法

使用单个分子控制电信号可以将集成电路中的晶体管小型化到原子水平。这一分子电子学研究领域不仅为下一代超强大计算机铺平了道路，而且也为全新的电子系统和方法铺平了道路提供了有力支撑。德国不来梅雅各布大学和中国武汉科技大学的合作研究小组现已开发出一种测量单个药物和生物分子电导率的方法。

配备有机大环受体（绿色）的金电极（黄色）可以从水溶液（中心）中捕获单个药物分子，并测量和分析它们的电导率。

在分子电子学中，单个分子在两个电极之间拉伸以形成导电元件，然后测量分子电导率。尽管这种现象的基本方法——扫描隧道显微镜，在30多年前获得了诺贝尔奖，但仍然存在一个主要限制：为了获得分子电导率，要测量的分子必须永久地附着在无机金电极上，该方法通常通过硫桥实现。

在新的电子测量装置中，两个电极都用有机大环受体进行了修饰（见图），因此溶质分子可以附着在连接处，也可以分离。这类似于电气工程中的插头连接。它们允许更换电气元件，例如更换有缺陷的元件或合并具有不同特性的元件。

“简而言之，我们成功地在单分子水平上引入了电插头连接。我们现在在导电位点上使用超分子替代了共价键,得到了新的动态测量尺寸和效果”负责人之一的Suhang He说 ，该出版物的作者和不来梅雅各布大学的博士后研究员。

这种方法的另一个优点是可以研究天然的、未修饰的分子，因此不再需要侵入性地引入硫基团。

在他们的第一项研究中，德中团队将新发现的超分子电连接应用于生物传感中，除此之外，还可用于检测生物相关化合物，如喜树碱，（一种用于化疗的药物）。例如，通过测量电导率的变化，它能够显示单个药物分子如何在新的电连接中质子化和去质子化。在物理和工程方面，新的分子电子方法具有先进分子计算应用的潜力，这是因为它展示了如何快速测量和测试分子导体的不同特性。

来源：Nanowerk