高功率显微镜与图论在材料科学中的应用与突破

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伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（2024USNews美国大学排名：35）的研究人员在一项新研究中，利用高功率显微镜和数学理论揭示了三维纳米级空隙。这一进展有望提高家用和化学、能源及医疗行业中许多材料的性能，特别是在过滤领域。研究表明，常见过滤器实际上由数百万个随机定向的微小空隙组成，这些空隙允许小颗粒通过。研究团队使用图论来描述这些不规则但实用的材料，发现随机空隙的独特物理和机械性能与过滤性能的提高有很强的相关性。这一发现将改善许多下一代多孔材料的有效性，如用于药物输送的聚合物。研究得到了美国能源部、空军科学研究办公室和国家科学基金会的支持。

高功率显微镜及其在材料科学中的应用

高功率显微镜在材料科学中的应用是一个重要的研究领域。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的贝克曼研究所最近在其显微镜套件中新增了一台蔡司Xradia 630 Versa微型CT扫描仪，这是美国首台应用于生命科学的此类设备。该扫描仪不仅对伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开放，还可支持全球的研究项目。微型CT扫描仪利用X射线进行成像，通过将高能光子转化为可见光来进一步放大图像。贝克曼研究所的研究人员可以使用这台设备进行非破坏性的虚拟解剖，研究从昆虫触角到混凝土裂缝等各种样本。

该设备的高分辨率和灵活性使其适用于多种研究领域，包括生命科学、电子学和材料研究等。此外，研究人员还可以在扫描过程中对样本进行拉伸、弯曲和压缩等机械测试，以研究材料在不同条件下的行为。贝克曼研究所与材料研究实验室、格兰杰工程学院以及研究与创新副校长办公室合作，共同资助了这台设备的购置。蔡司显微镜公司也参与了设备的安装和培训工作。

图论在理解材料性质中的作用

图论在理解材料性质中的作用不可忽视。本文研究了辛烷异构体的八种性质，采用了一种新的邻域乘积度数（np-degree）方法来计算所有经典的基于度数的拓扑指数。研究表明，np-degree方法可以有效地估算辛烷异构体的物理化学性质，如偏心因子、密度、折射率、临界体积、摩尔体积、曲率半径、临界压力和LogP。通过线性和二次回归模型以及相关系数来验证估算结果的有效性。研究发现，二次回归模型更适合研究辛烷异构体及其np-degree图不变量。np-degree方法的拓扑指数满足显著性标准，因此这些新引入的指数对于研究辛烷异构体是有效的。本文的研究结果对化学家和药剂师具有重要意义。

在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究中，研究团队使用图论来描述这些不规则但实用的材料，发现随机空隙的独特物理和机械性能与过滤性能的提高有很强的相关性。这一发现将改善许多下一代多孔材料的有效性，如用于药物输送的聚合物。

纳米技术对过滤系统的影响

纳米技术在过滤系统中的应用也取得了显著进展。本研究探讨了使用碳纳米材料（包括石墨氮化碳纳米片（g-C3N4 NSs）、还原氧化石墨烯（r-GO）和碳纳米管（CNT））改性空气净化过滤器，以提高其对颗粒物（PMs）的吸附效率。通过能量色散X射线光谱（EDX）、电感耦合等离子体（ICP）和激光诱导击穿光谱（LIBS）等光谱技术，对改性过滤器的吸附效率进行了定量和定性分析。结果表明，与对照组、g-C3N4和r-GO改性过滤器相比，CNT改性过滤器表现出更高的吸附效率，这归因于其较大的比表面积和孔体积。

此外，LIBS技术展示了其检测重金属（如镉）的能力，这些重金属在EDX和ICP中未被检测到。该技术在重金属监测方面表现出敏感性。这种新颖的方法有望引起广泛关注，并有助于改进空气净化技术。空气污染，特别是颗粒物，对人类健康和环境构成重大威胁。将碳纳米结构材料应用于空气颗粒监测设备中，具有提高颗粒物吸附效率的巨大潜力。使用g-C3N4 NSs、r-GO和CNTs作为改性过滤器的纳米结构材料，显示出改善空气质量和减少空气污染有害影响的前景。研究结果将有助于开发创新的空气污染治理策略，保护人类健康和环境。

美国科学研究的资助来源

科学研究的资助来源是推动研究进展的重要因素。美国研究机构因接受中国资助而面临的创纪录和解事件引发了广泛关注。密歇根大学安娜堡分校和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校等知名学术机构都在此次事件中受到关注。美国政府对这些机构的资助来源进行了严格审查，认为部分资金可能涉及国家安全问题。文章还提到，这一和解事件对其他美国研究机构起到了警示作用，促使它们更加谨慎地处理国际资助，特别是来自中国的资助。

尽管国际合作对科学研究至关重要，但在当前的地缘政治环境下，研究机构必须平衡合作与国家安全之间的关系。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究得到了美国能源部、空军科学研究办公室和国家科学基金会的支持，这些资助来源确保了研究的顺利进行。

综合总结

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员通过高功率显微镜和图论揭示了三维纳米级空隙的独特物理和机械性能，这一发现有望提高过滤器和其他多孔材料的性能。高功率显微镜在材料科学中的应用、图论在理解材料性质中的作用以及纳米技术对过滤系统的影响，都是推动这一研究取得成功的重要因素。此外，科学研究的资助来源也是确保研究顺利进行的关键。通过这些多方面的努力，研究团队不仅揭示了材料的微观结构，还为未来的材料科学研究提供了新的思路和方法。