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3D打印無金屬柔性膠狀電極問世

近日，美國麻省理工學院領導的國際團隊開發出一種不含金屬的、類似果凍的材料，它像生物組織一樣柔軟和堅韌，同時可像傳統金屬一樣導電。這種材料可制成打印墨水，有朝一日或成為功能性凝膠基電極，且具有生物組織的外觀和手感。相關研究成果于2023年6月15日在《自然·材料》雜志上發表。

研究人員表示，膠狀電極有可能取代金屬來刺激神經，并與心臟、大腦和身體其他器官連接。

研究人員希望導電聚合物和水凝膠的結合會產生一種靈活的、生物相容的和導電的凝膠。但到目前為止制造的材料要么太脆弱，要么電氣性能很差。為了分別保持導電聚合物和水凝膠的電氣和機械強度，這兩種成分應該以一種略有排斥的方式混合，這種狀態被稱為相分離。在這種略微分離的狀態下，每種成分都可將各自的聚合物連接起來，形成細長的微觀鏈，同時也可以作為一個整體混合。

研究人員將其稱為具有電氣和機械性能的“意大利面”。其中“電氣意大利面”是一種導電聚合物，可通過材料傳遞電流；而“機械意大利面”就是水凝膠，可傳遞機械力，而且由于它也是連續的，所以很堅韌有彈性。

研究人員調整了配方，將“意大利面”煮成墨水，通過3D打印機輸入，并打印到純水凝膠薄膜上，圖案類似于傳統的金屬電極。

研究人員將打印的果凍狀電極植入大鼠的心臟、坐骨神經和脊髓。在動物身上測試了長達兩個月后這些設備始終保持穩定，幾乎沒有導致周圍組織產生炎癥或疤痕。電極還能夠將來自心臟的電脈沖傳遞給外部監測器，并將微小脈沖傳遞到坐骨神經和脊髓，進而刺激相關肌肉和四肢的運動。

研究人員設想，未來這種新材料能應用于心臟手術患者的恢復，可用作器官和長期植入物（包括起搏器和深部腦刺激器）之間的軟電子接口。

（來源：科技日報）

科學家首次揭示激子拓撲序

由南京大學、北京大學、美國麻省大學艾姆赫斯特分校組成的合作團隊在電子-空穴關聯系統中激子拓撲序的研究方面取得了重要進展。該工作從理論上提出了關聯激子由于阻挫效應導致強量子漲落所產生的玻色子拓撲序的新機制；從實驗上在電子-空穴濃度不平衡的InAs/GaSb量子阱中觀察到了通過激子形成的時間反演對稱破缺的新型拓撲態，實驗與理論相結合，首次揭示了激子拓撲序。相關研究成果于2023年6月14日在《自然》上在線發表。

分數量子霍爾效應是當代凝聚態物理的前沿研究熱點之一，相關研究曾獲1998年諾貝爾物理學獎。分數量子霍爾效應起源于電子的關聯效應，導致了拓撲序的產生，表現出長程量子糾纏，演生規范場和分數激發，在未來拓撲量子計算方面具有潛在的應用價值。一個自然的問題是：能否在相互作用玻色子系統中產生具有拓撲序的分數量子霍爾態？人們首先試圖在冷原子系統中進行研究，但多年以來仍處于探索階段。

該工作研究了電子-空穴耦合的雙層系統，發現當電子和空穴濃度不平衡時，系統所產生的激子具有moat型能帶（激子的色散在動量空間呈現一圈高度簡并）。激子moat能帶的阻挫效應使得激子不發生玻色凝聚，進而產生一類具有長程量子糾纏的拓撲序，其物理圖像等價于激子形成的分數量子霍爾態。相比于傳統的平均場理論結果，該工作發現量子漲落會導致在傳統激子凝聚相圖中出現一個新的激子拓撲序區域。

激子拓撲序在電子、空穴濃度不平衡的區間中產生，打開體態能隙，并具有一對電子-空穴形成的手征邊緣態。在零磁場下，電子和空穴攜帶相反的電荷，產生類螺旋形邊緣態輸運。與量子自旋霍爾效應不同，激子拓撲序無須時間反演對稱的保護，在垂直磁場下這一對邊緣態不會打開能隙，而是在實空間分離，從而導致邊緣態輸運信號從類螺旋型向類手征型轉變。上述理論和實驗的相互印證揭示了在電子-空穴雙層系統中由于阻挫和關聯效應所產生的激子拓撲序。

（來源：中國科學報）

兩個鈹原子室溫下首次實現鍵合

科技日報2023年6月20日報道，科學家認為，如果能將兩個鈹原子相互結合，這種元素會變得更有用。在一項最新研究中，英國牛津大學的4位化學家首次實現了讓兩個鈹原子在室溫下安全地鍵合在一起。相關研究論文于2023年6月15日在《科學》雜志上發表。

鈹是一種堅固且輕質的堿性稀土金屬，被廣泛應用于從電信設備到電腦和手機等多個領域。它還與其他金屬混合，被制成合金，用于制造陀螺儀和電觸點等。

研究團隊首先構建了兩個分子，每個分子由一個鈹原子、幾個碳原子和氫原子組成，然后將這兩種分子與一種通過將雙鎂原子結合在一起而制成的化學物質混合在一起，一系列反應后產生了名為二茂鈹的晶體化合物。對晶體結構的特寫觀察表明，它的中心含有相互結合的原始鈹原子。觀測還顯示，該化合物與碘化物反應時，會與鋅和鋁結合。

研究團隊指出，此前無法成功讓兩個鈹原子結合的原因之一在于其毒性。但他們發現，建立一組協議就能以安全的方式進行上述過程，而且數學模型顯示，所得化合物很穩定。

（來源：科技日報）

掌握DNA分子的“車流速度”

——單分子操作

實現近乎完美控制

科技日報2023年6月19日報道，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究人員多年來致力于改進納米孔技術，該技術可讓DNA分子通過膜上的小孔以測量離子電流，研究人員則可以通過分析核苷酸在電流通過時的擾動情況，來確定DNA的核苷酸序列。該研究2023年6月19日發表在《自然·納米技術》上。

分子的快速運動使得對其實現高精度分析具有挑戰性。EPFL團隊成員稱，將納米孔的靈敏度與掃描離子電導顯微鏡（SICM）的精度相結合，他們就能鎖定特定的分子的位置并控制它們移動的速度。這種精巧的控制填補了該領域的一個巨大空白。

團隊使用先進的掃描離子電導光譜（SICS）實現了這種控制。SICM利用流經探針尖端的離子電流的變化，可生成高分辨率3D圖像數據。而其創新技術減緩了分子通過的速度，允許對同一分子甚至分子上的不同位置進行數千次連續讀數。

研究人員用汽車類比這種方法舉例說明：“想象一下，當你站在窗前看著汽車來回行駛。如果汽車減速并反復駛過，讀取他們的牌照會容易得多。我們現在可決定是要每次測量1 000種不同的分子，還是測量同一分子1 000次，這代表了該領域真正的范式轉變。”

這一成果不但可顯著改善診斷和測序領域，還可應用于DNA以外的分子，推進蛋白質組學研究。例如肽的蛋白質構建塊，由于肽“牌照”由20個“字符”（氨基酸）組成，而不是DNA的4個核苷酸，因此尋找肽測序解決方案一直是一項重大挑戰，但這種新控制方法會為肽測序開辟一條更容易的道路。

在DNA測序這一領域，納米孔技術已經得到了廣泛應用。當DNA分子通過納米尺寸的空隙時，因為堿基的不同，產生相應的電流變化，識別出這種變化，就能反推堿基還原DNA序列。本文介紹的研究中，團隊在應用納米孔技術的基礎上，還實現了對分子通過速度的控制，掃描離子電導顯微鏡可高分辨率非接觸式研究活細胞表面形貌。研究人員用車流作比，讓汽車減速并反復通過，對車牌信息的辨識就會更為容易和全面。更精巧的控制，誕生了更多的測量解決方案。

（來源：科技日報）

光伏“新秀”鈣鈦礦電池嶄露頭角

2023年4月，七國集團氣候、能源和環境部長會議發布《聯合聲明》稱，將“推進鈣鈦礦太陽能電池等領域的技術革新”，鈣鈦礦太陽能電池這一能源領域的“新秀”引發強烈關注。

近日，《日本經濟新聞》也集結部分專家，對太陽能、風能、核電、二氧化碳回收等5個領域備受矚目的11項脫碳技術的普及程度進行了評估，結果發現，在即將實現商用的領域中，最引人關注的是下一代太陽能電池——鈣鈦礦電池，其可能成為能源行業的“游戲規則改變者”。

專家指出，鈣鈦礦太陽能電池憑借高效率、低成本、低能耗、應用場景豐富等特點，在降低光伏成本革命中備受關注，但其耐用性和穩定性仍需進一步提高。

下一代技術蓄勢待發

2013年，《科學》雜志評選十大突破，鈣鈦礦太陽能電池入選，被稱為最有前景的下一代光伏技術。

《日本經濟新聞》在報道中指出，當前，鈣鈦礦電池主要有單結鈣鈦礦電池和疊層鈣鈦礦電池。疊層鈣鈦礦電池指鈣鈦礦層可堆疊在彼此之上，也可堆疊在傳統晶硅太陽能電池之上，形成能吸收更寬太陽光譜的“串聯”電池。

據美國《華爾街日報》網站近日報道，單結鈣鈦礦電池的理論轉換效率可達33%，而鈣鈦礦/硅串聯電池的理論轉化效率可達43%，都超過單晶硅電池29.4%的理論轉換效率。2023年6月，阿卜杜拉國王科技大學稱，該校研制的鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的轉換效率高達33.7%，創下世界紀錄。

此外，鈣鈦礦電池還具有輕、薄、可彎曲等特點，可鋪設在傳統硅基電池無法覆蓋的墻壁表面或列車車頂，操作工序十分簡單，且價格幾乎減半。東京大學教授瀨川浩司的測算顯示，到2030年日本鈣鈦礦電池覆蓋的面積最大可達470平方公里，發電能力為600萬千瓦，相當于6個核電站。

法蘭西島光伏研究所項目總監格雷戈里·馬克表示，鈣鈦礦層比硅層薄很多，使用的材料減為約1/100。而且，這些材料可在較低的溫度下加工，從而節省能源、減少排放。

引國際投資熱潮

在全球脫碳浪潮下，硅基電池的性能正在接近其理論極限，鈣鈦礦太陽能技術已成為眾多企業眼中的“香餑餑”。

歐洲PEPPERONI項目于去年11月1日啟動，旨在推進歐洲大陸的疊層太陽能光伏電池的制造和產能，重點關注鈣鈦礦/硅疊層電池，這一項目將持續4年，由“歐洲地平線”計劃與瑞士教育、研究和創新秘書處共同資助。

法國光伏組件商Voltec Solar和法蘭西島光伏研究所合作，計劃到2030年建設一處規模達5吉瓦的鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池“超級工廠”。法蘭西島光伏研究所總經理羅杰·德羅茲多夫斯基-施特雷爾表示，這是一場技術革命，與傳統技術目前可實現的最佳效率相比，它不僅能夠在光伏組件層面實現30%的效率，還能通過利用回收材料，減少能耗和材料消耗。Voltec Solar公司總經理盧卡斯·韋斯則強調，串聯技術將是未來十年的主導光伏技術。

英國牛津光伏公司計劃今年推出其商用鈣鈦礦/硅疊層電池，預計轉換效率為27%。該公司也計劃在德國柏林附近擴建其試點工廠，并在2030年左右將生產規模擴大到10吉瓦。

耐用性和可靠性亟待完善

據麻省理工學院（MIT）網站報道，雖然鈣鈦礦顯示出巨大的前景，多家公司已經開始進行商業化生產，但耐用性仍然是其面臨的最大障礙。硅太陽能電池板在使用25年后，仍能保持25%的功率輸出，但鈣鈦礦電池下降得很快。

不過，科學家們已經取得重大進展：鈣鈦礦太陽能電池的“壽命”從最初的幾小時，增加到幾周、幾個月，最新“出爐”電池的使用壽命可長達幾年。

澳大利亞新南威爾士大學工程學教授馬丁·格林表示，鈣鈦礦制造商需要證明電池板的使用壽命為25～30年，這是行業標準。牛津光伏公司首席技術官克里斯·凱斯稱，該公司已將其鈣鈦礦/硅疊層電池設計為達到或超過25年的使用壽命。

MIT光伏研究實驗室負責人托尼奧·博納西西指出，鈣鈦礦的一個優點是它們在實驗室中相對容易制造，其化學成分很容易組裝，但材料在室溫下容易結合在一起，也容易分開。

為解決這一問題，有些研究人員使用各種保護材料來封裝鈣鈦礦，使其免受空氣和潮濕的影響。

博納西西參與的一項研究表明，一旦鈣鈦礦的使用壽命超過10年，加上其制造成本低廉，就能在很多大型公用事業場所替代硅基太陽能電池。

（來源：科技日報）

創新紀錄！我國科研團隊實現508公里光纖量子通信

《中國科學報》從北京量子信息科學研究院獲悉，該院首席科學家袁之良團隊與南京大學副教授尹華磊等人合作，首次在實驗上實現了打破安全碼率-距離界限的異步測量設備無關量子密鑰分發，成功實現508公里光纖量子通信，以及破紀錄的城際密鑰率和雙光子干涉距離。相關研究成果于2023年6月20日在《物理評論快報》上發表。

據了解，點對點量子密鑰分發（QKD）的密鑰率隨著信道的損耗呈線性衰減。雙場量子密鑰分發（TF-QKD）可以使得密鑰率以信道衰減的平方根線性下降，備受關注并取得成功。但雙場協議系統實現復雜，通常需要相位跟蹤、頻率校準等模塊來保證穩定的長距離單光子干涉。

尹華磊等人在2022年提出一種新穎的異步測量設備無關量子密鑰分發（Asynchronous MDI-QKD）協議，該協議通過經典后處理實現時間復用，構建了雙光子貝爾態，建立起MDI-QKD與TF-QKD之間的橋梁。后測量配對技術可大大降低TF-QKD系統中對激光源、相位穩定性等的嚴格要求，在中長距離還可實現更高的安全密鑰率。

袁之良團隊基于異步測量設備無關量子密鑰分發協議與新型的響應過濾方法，研制出200微秒時間間隔內仍可進行穩定異步雙光子干涉的量子密鑰分發系統，首次在無需相位跟蹤技術且進行了嚴格的組合安全有限密鑰分析的情況下突破了安全碼率界限。

袁之良介紹，該實驗工作實現了創紀錄的雙光子干涉距離和城際密鑰率，將MDI-QKD的最大光纖傳輸距離從404公里提高到508公里。在400公里處其密鑰率相比之前提高了6個數量級，201公里與306公里處的安全密鑰率分別超過57 000比特/秒與5 000比特/秒，可滿足語音通信等實時加密需求。該研究成果對商用化、高安全城際量子密鑰分發系統和我國構建經濟高效的城際量子安全網絡具有重要意義。

（來源：中國科學報）

天宮空間站電推進發動機首次實現在軌“換氣”

記者2023年6月20日從中國航天科技集團六院獲悉，近日，在天地協同配合下，天宮空間站電推進系統大氣瓶完成在軌安裝任務，該院801所首次采用“換氣”而非“補氣”的方式完成電推進系統推進劑——氙氣的補充。

電推進系統的工作原理是先將氙氣等惰性氣體轉化為帶電離子，然后把這些離子加速、噴出以產生推進力，進而完成航天器的姿態控制、軌道修正和軌道維持等任務。在天宮空間站上的使用，是電推進系統在載人航天領域的首秀。有了大氣瓶作“外掛”的空間站電推進系統，使用壽命將大大延長，對空間站長期安全平穩飛行起到重要作用。

據介紹，為了給電推進系統在軌“換氣”，研發團隊創造性地提出了一種簡化版浮動對接形式：通過粗定位導向裝置實現機械臂初始定位，再通過自主精確定位作進一步修正。這種方式極大地提高了對接可靠性，即便在軌多次拆裝也能保證精度滿足要求。

同時，由于氣瓶安裝有統一接口，原則上只要符合接口要求，空間站電推進系統可以安裝容積不同、工作壓力不同、填充氣體不同的氣瓶。貯氣模塊的“百搭”特性，不僅極大增加了電推進系統的壽命和可靠性，也豐富了系統的功能。

考慮到太空環境不可控因素較多，除了支持機械臂自動在軌更換氣瓶，研發團隊還設計了航天員手動更換氣瓶方案。

（來源：科技日報）

我國首臺橋梁換運架一體機投用

2023年6月20日，河北滄州黃驊市，在4小時“天窗期”內，我國重要煤運通道——朔黃鐵路成功完成首孔預應力混凝土T梁的“換、運、架”全部作業，標志著我國首臺鐵路橋梁換運架一體機“太行號”正式投用。這也是世界首次在運營鐵路不斷線、不停運的情況下，完成對既有橋梁的更換作業，實現“即換即通車”，填補了世界鐵路行業整孔換梁施工、“天窗期”完成線上作業的技術空白，為我國既有鐵路的快速維養與快速迭代，提供了安全可靠的裝備與成套技術保障。

“目前鐵路通用換梁技術主要為臺架橫移換梁、龍門吊換梁等方式，完成施工需要長時間斷線、改線，對既有鐵路行車組織和運營安全造成影響，且不能滿足高墩、復雜地形地貌、無施工臺架及作業場地等特殊情況下的換梁任務。”中鐵第五勘察設計院集團有限公司換梁項目負責人吳敬蓬說。

在換梁現場，只見“太行號”搭載著帶有道砟及軌排的整孔新梁，在天窗點開啟后，由臨近站區編組聯運至待換橋位，完成體系轉換后，將既有梁整孔提起裝車，架設新梁并精調到位，線路恢復后換運架一體機運輸舊梁離場。換梁后的線路經大機搗固，迅速恢復運營通車。

吳敬蓬告訴記者，“太行號”采用了“兩車夾一機”的編組運行方式，同時首創“收折式”設計理念，具備“整機換、運”的姿態快速轉換功能，折疊狀態滿足鐵路運輸要求，無須施工征地；施工不受周圍環境的影響，無須對接觸網等附屬設施進行遷改，適用于各種復雜工況下的換梁作業。換梁工序及施工人員大幅減少，整體換梁效率較傳統工法提升2.5倍，真正實現即換即通車。

（來源：科技日報）

共價有機框架材料光催化領域迎新進展

近日，華南師范大學化學學院教授蘭亞乾團隊在“博新計劃”人才項目、國家自然科學基金等項目的支持下，在共價有機框架材料光催化領域的研究取得新進展。相關研究論文2023年6月6日發表于Angewandte Chemie International Edition。

利用光催化過程如光解水、CO₂還原、光催化有機轉化等將太陽能轉化為化學能，從而產生高附加值化學品被認為是一種綠色且有潛力的策略來解決能源危機和環境污染問題。在光催化領域，金屬配合物如吡啶釕、吡啶銥、金屬卟啉等已經被廣泛用作光敏劑。然而，大多數分子光敏劑僅具有特定且較窄的光吸收范圍而限制了整體光催化效率。將第二光敏基團與此類分子光敏劑復合，從而形成雙組分復合光敏型催化劑將能夠有效增強其光吸收能力，從而增強整體光催化效率。

蘭亞乾團隊設計合成了一類雙光敏劑耦合的金屬-三維共價有機框架（MCOFs）材料用于高效光催化反應。研究團隊創造性地將傳統分子光敏劑金屬吡啶配合物［如Ru（bpy）₃²⁺，Fe（bpy）₃²⁺］與卟啉或金屬卟啉分子通過共價連接形成了晶態三維COFs，表現出了優異的光敏與催化性能。該類催化劑的光解水活性是已報道的COF基光催化劑的最高性能之一。此外，原位產生的氫氣被成功用于進一步的有機加氫反應，以炔基化合物為底物達到了＞99%的加氫轉化效率。

該項工作開創性地探索了多重光敏劑單體共價連接構建光活COFs，顯示了多組分光敏非均相材料在光催化領域的巨大潛力，也為高效光催化劑的設計和開發提供了新的思路。

（來源：中國科學報）