质子存储技术

❶ 1987到1990年诺贝尔物理学奖获得者的主要事迹，生活轶事

1987年约翰内斯·贝德诺尔茨和卡尔·米勒在发现陶瓷材料的超导性方面的突破”获得诺贝尔物理学奖，1988年梅尔文·施瓦茨和利昂·莱德曼和施泰因贝格尔“中微子束方式，以及通过发现子中微子证明了轻子的对偶结构”获得诺贝尔物理学奖。

1989年诺曼·拉姆齐和汉斯·格奥尔格·德默尔特和沃尔夫冈·保罗“发展离子洞谈冲陷阱技术”获得诺贝尔物理学奖，1990年杰尔姆·弗里德曼和亨利·肯德尔和理查·泰勒，他们有关电子在质子和被绑定的中子上的深度非弹性散射的纳歼开创性研究，这些研究对粒子物理学的夸克模型的发展有必不可少的重要性”获得诺贝尔物理学奖。

汉斯·格奥尔格·德默尔特德国-美国物理学家，1989年获诺贝尔物理学奖。汉斯·格奥尔格·德默尔特出生于德国格尔利茨，在柏林长大的。1940年中学毕业后他在一个机动防空部队中当兵。他于斯大林格勒战役中幸存，然后被陆军遣送到布雷斯劳大学学习物理。

1944年他被派往西部战线侍袜，在突出部之役中被美军俘虏。1946年他被释放后继续在哥廷根大学学习，他的导师包括理乍得·贝克、沃纳·海森堡、马克斯·冯·劳厄、沃尔夫冈·保罗和马克斯·普朗克。在普朗克的葬礼上他甚至被选为抬棺材的人之一。

1948年他大学毕业，他的毕业论文是关于汤普森质谱。1949年他获得博士学位，他的博士论文的题目是《碘化物晶体中的核四极频率》。他首先在杜克大学待了两年后1952年去西雅图的华盛顿大学。1955年他在华盛顿大学成为助理教授，1958年提升为破例教授，1961年称为正式教授。2002年他退休。

❷ 如何收集氢离子，并储存

氢离子就是质子（或氘核、氚核）。在大气中它会迅速与游离的自由电子结合形成氢原子，所以只能在真空状态下产生并“收集”，和储存。

剥离氢的唤纯核外电子可以用灯丝加热氢气的方法，也可以用强的静电电场中通入稀薄氢气的方式。在电场中，氢离子或者说质子带正电而向负极加速，电子向正极加速，两者分开。

储存质子扰州不能以静态方式进行，目前只能储存经过加速器加速的高能质子束流。通过在环形真空室（储存环）周围适当配置磁铁以形成偏转磁场的方式，让质子束流在真空室中绕圈运动，同时围绕束流中心振动（强聚焦原理）。目前的技术条和李咐件下，束流强度可达安培级，即储存环中某一截面积每秒通过6×10^18个以上质子。设储存环周长30公里，即环内共储存了6×10^14个质子。

受目前的真空技术水平限制，质子束流的储存时间约为几十小时。下图是LHC的质子储存环。

❸ 氢能源核心技术有哪些

可再生，用途广。

氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划。

并且我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。

当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必祥含轿须寻找新的能源。

随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源、能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。

氢正是这样的二次能源。 氢位于元素周期表之首，原子谨肆序数为1，常温常压下为气态，超低温高压下老肢为液态。作为一种理想的新的含能体能源

以上内容参考：网络-氢能源

❹ 新能源汽车的动力有几部分

新能源汽车的部件组成是谨扮：1、电力驱动系统：包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮；2、电源系统：包括电源、能量管理系统和充电机；3、辅助系统：辅助动力源、动力转向系统、导航系统、空调器、照明及除霜装置、刮水器和收音机。新能源汽车是指采用除汽油、柴油之外的燃料作为动力来源的汽车，其分为：1、混合动力电动汽车，采用常规燃料和非常规燃料为动力来源；2、纯电动汽车，动力来源依靠电机发电祥启灶；3、燃料电池电动汽车，以氢燃料作为动力旁山来源。

❺ 《三体》中智子有哪些用处

智子号和二号将飞向地球，凭借着存储在微观电路中庞大的知识库，智子对空间的性质了如指掌，它们可以从真空中汲取能量，在极短的时间内变成高能粒子，以接近光速的速度航行。这看起来违反能量守恒定律，智子是从真空结构中“借”得能量，但归还遥遥无期，要等到质子衰变之时，而那时离宇宙末日也不远了。

六、这对我们的科学家而言也很恐怖，怎样做到呢？

很简单，我们已经编制了使智子自行二维展开的软件，展开完成后，用那个巨大的平面包住地球，这个软件还可以使展开后的平面是透明的，但在宇宙背景辐射的波段上，其透明度可以进行调节。智子进行各种维度的展开时，可以显示更宏伟的“神迹”相应的软件也在开发中。这些“神迹”将制造一种足以将人类科学思想引上歧途的氛围，这样，我们可以用神迹计划对地球世界中物理学以外的科学形成强有力的过制。

❻ 质子陶瓷膜燃料电池新突破：处理后的电池运行温度低至350℃

“该工作凸显了界面工程在全陶瓷电化学器件中的关键作用， 可帮助质子陶瓷电化学电池快速进军可持续能源基础领域 ，例如在受间歇性太阳能和风能发电影响的电网中，利用季节性储能的核热和电力驱动进行化学燃料生产，以及二氧化碳的捕获和利用。”对于自己近期发表在 Nature 的论文，美国爱达荷国家实验室吴巍博士表示。

对于该成果的应用前景，他说：“就改良后的电化学电池而言，高性能 PCEC（质子导体电池，Protonic ceramic fuel cell）使我们能够将高温电解水制氢的工作温度降低到 350 C。这个过程可以为许多‘清洁和绿色氢气’的应用打开大门。更重要的是， 该技术在与当前几个重要的工业过程（包括氨生产和二氧化碳减排）在相同的温度范围内运行 。匹配这些温度将加快该技术在现有行业中的采用。”

就界面工程技术而言，此次报道的技术可以广泛运用放到固态电化学器件当中，比如全固态锂电池。全固态锂电是前沿的锂电池技术，各个国家都在花大力气研发之中，界面润湿问题是它最主要的瓶颈之一。而酸处理技术可以有效改善全固态电池的界面润湿性能，从而提高其性能和稳定性。

正因为应用性极强，也让他对此次成果的商业孵化充满信心：“ 我们接下去的研究计划是两个方面， 一个是整合现有的一系列制备技术，将电化学器件扩大化、模块化、甚至商业化。另一方面是进一步拓展和深化与其他高校、研究机构在化学品电化学合成以及工业减碳等方向上的合作。”

350 下工作良好，数百小时内几乎没有性能衰减

据介绍，他和合作者在实验中证明， 酸处理电池在 600 C 下每面积产生的氢气比任何以前的电池都要多 150% ，并且在 350 C 下工作良好，在数百小时内几乎没有性能衰减。这种方法可以很容易地扩展和集成，用于大型电池和电池堆的制造。

马里兰州能源创新研究所材料创新中心主任胡良兵教授说，他没有参与这项工作，但其评价称：“作者报告了一种令人惊讶的，简单其极其高效的表面处理方式，以显着改善界面，将电池性能提升到‘启饥卓越’程度。

4 月 20 日，相关论文以《酸蚀刻法活化质子陶瓷膜电池悄塌返电解质表面》（Revitalizing interface in protonic ceramic cells by acid etch）为题发表在 Nature 上。

据吴巍介绍，可再生能源包括风能、太阳能、潮汐能等，给 社会 提供了越来越多的清洁电力。但这些可再生能源的一大特征是不稳定，随天气波动明显。所以 清洁电能一般首先要进行存储。

利用蓄电池进行电力存储的时间也非常有限，成本也很高。将这些清洁电能生产氢气和其他有机化学品和燃料，是另一种电能存储方式，即电能转化成化学能。

众所周知，氢气是一种绿色燃料，部分原因是当它燃烧时，产物仅仅是水。然而，纯氢没有天然来源。今天我们所用的氢气是绝大衫厅部分是通过蒸汽重整碳氢化合物（如天然气）获得的。这个过程需要碳氢原料气体并产生碳副产品，这使得它不太适合可持续生产。

因此，开发更高效的新型电化学电池， 比如固体氧化物燃料电解电池，可以实现低碳，甚至无碳排放的分布式发电和氢气化学品。全世界的科学家也一直在研发主要用于氢气生成的电化学电池。这些电池产生的氢气也可以用作热，车辆，化学生产或其他应用的燃料。

但前提是，科学家必须克服一系列材料和制备上的挑战，包括如何使电池更高效、更稳定、制造成本更低廉。

说到这里，吴巍做了个简短的科普： 电化学电解电池主要有三种类型 。

第一种类型在室温下工作，如质子交换膜电池。它们的主要问题是效率偏低，需要铂金等稀有金属。

第二种类型在 700ºC 以上的高温下运行，比如氧离子导体电池。它们有较高的电解效率，但金属在高温下很容易被氧化或者和其他元素反应形成腐蚀，从而设备需要严格的的密封和绝缘技术。

第三种类型，PCEC 是更具潜力的电化学电池解决方案。正如可充电电池使用化学来储存电力以供以后使用一样，PCEC 可以将多余的电力和水转化为氢气。PCEC 也可以反向运行，将氢气转化为电能。该技术使用称为钙钛矿的晶体材料，这些材料价格低廉，能够在很宽的温度范围内工作。与此同时，PCEC 主要的运行区间在 300 至 600ºC，进一步降低了运行和制造成本。

理论上说，质子导体具有高导电性和低活化能，PCEC 的性能自然会很优越。然而，吴巍和合作者长期观察到它们的表现低于理论模拟的预期。他和美国爱达荷国家实验室的同事们自 2017 年以来一直致力于了解其中的原因。

其表示：”经过抽丝剥茧一样的实验设计和观察， 我们发现质子（带正电的氢原子）在电极/电解质界面上的传输是问题所在 。具体来说，电极和电解质的结合不够理想。随后，我们在电池制备过程中，额外增加了一个简单的酸处理步骤，实现了电极与电解质的紧密结合，从而实现更有效的离子传输。”

经过一系列详细的表征，其发现酸处理增加了电极和电解质之间的接触面积。增加的表面积使得电极和电解质之间更紧密的键合，从而允许质子更有效地传输。此外，电池在某些极端条件下的稳定性也显着提高。

显着提高电池的性能、以及热力学和电化学稳定性

更详细地说， 论文的核心要点在于，质子陶瓷膜电化学电池有望在 350 以下运行。 虽然电解质的高质子导电性已经被证明，但由于未知的原因，它不能充分应用于电化学全电池中。在该研究中，吴巍等人揭示，这些问题起源于高温二次处理的氧电极-电解质界面之间的接触不良。

该研究证明了一种简单的酸处理，可以有效地修复高温二次处理的电解质表面，从而使氧电极和电解质之间产生反应性键合，提高电化学性能和稳定性。

此方法可以实现低至 350  C 的优异的质子陶瓷膜燃料电池性能，并能维持 600  C 时峰值功率密度为 1.6 瓦每平方厘米，450  C 时为 650 毫瓦每平方厘米，350  C 为 300 毫瓦每平方厘米，而在 1.4V 和 600  C 下的稳定电解操作与电流密度则超过 3.9 安培每平方厘米。

据悉， 质子陶瓷膜燃料/电解电池（PCFCs/PCECs）以其高效性和零排放性，有望在中温（300-600 ）应用领域实现化学能与电能可逆转换 。

它们的关键成分之一是钙钛矿结构的氧化物电解质，由于较小的活化能，其高质子电导率能够实现比基于氧离子导体的固体氧化物燃料/电解电池（SOFCs/SOECs）更低的温度运行。

然而， 仍存在一些与电解质相关的挑战限制了 PCFC/PCEC 的应用 。首先，尽管烧结体电解质显示出高质子电导率（例如，在 500 时>10mS cm 1），电化学电池中的欧姆电阻大于仅从体离子电导率估计的理论值，且具有“未知的来源”。这种不一致性被认为是由于氧电极和电解质之间的接触不良所致。其次，氧电极-电解质界面在力学性能上较弱，会导致层离和其他形式的损耗，特别是在高电流密度的电解电池循环下。

要知道，质子陶瓷膜燃料/电解电池通常是首先在高温 T1 下烧结氢电极-电解质双层结构，然后在氧电极层上丝网印刷或喷漆，然后在较低的温度 T2 下二次烧结。

然而，质子陶瓷膜电解质难以致密化，该过程需要高温烧结。虽然似乎与 400-600 C 下的全电池性能无关，但吴巍等人认为低真实接触面积和高界面阻抗与低速率质量输运导致的烧结性差具有相同的根源。

事实上，T2 烧结的情况更糟（大约 1000 C）：多孔氧电极必须扩散键合到已经充分退火的电解质表面（以单晶基底上的受限烧结为极端类比），T2 也必须足够低，从而避免多孔氧电极的粗糙化并允许气体输运和催化作用。

考虑到以上情况， 该团队提出了一种酸处理方法，在与氧电极结合之前活化修复高温退火电解质表面 。他们证明，这种方法可以完全恢复电化学电池中的理论质子电导率，并显着提高电池的性能以及热力学和电化学稳定性。

吴巍说，该项目从立项到成果发表，离不开所有团队成员的共同配合和付出。这项工作由三个单位合作完成，包括爱达荷国家实验室、麻省理工学院和内布拉斯加大学。团队之间每周都保持着视频会议沟通，遇到问题大家即时分享，讨论和研究对策。

和绝大多数科研工作一样，从观点提出到实现会遇到种种挑战和难题。很多时候，努力也不一定有回报。“我们只能尽自己所学、所能，依靠集体的力量来解决科学难题， 剩下的交给运气。这个工作有一定的成果，我们都很开心，运气这次站在了我们这边。”他说。

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支持：王贝贝

参考：
1、Bian, W., Wu, W., Wang, B. et al. Revitalizing interface in protonic ceramic cells by acid etch. Nature 604, 479–485 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04457-y

❼ 如果宇宙是虚拟数据，需要多少空间储存

随着虚拟现实技术的发展，很多人开始讨论宇宙是虚拟数据的可能性。

那么如果宇宙真的是虚拟数据，需要多少空间进行储存呢？根据科学家的计算，整个宇宙可能包含的数据为6*10^80比特数据，换算一下大约是7*10^70GB数据。

这是一个非常庞大的数据，而且并没有包含暗物质和暗能量的信息，如果加上人类尚不明确的暗物质和暗能量，整个数据可能会扩大10万亿倍。

虽然宇旅运丛宙是虚拟世界的可能性不高，但是科学家通过数据量的计算，可以大致得到宇宙的总信息数量。

如果未来信息可以加入物质和能量，得到互相转换的等价公式，了解宇宙信息，或许就可以更加精准地计算出宇宙质量，帮助科学家从全新的悄棚角度了解宇宙。