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新技術將太赫茲波放大3萬多倍有望推動6G通信變革

科技日報2023 年12 月26 日報道，韓國蔚山國立科技大學與美國田納西大學、橡樹嶺國家實驗室的研究團隊合作開發出一種新技術，成功優化了專門用于6G 通信的太赫茲（THz）納米諧振器，將太赫茲電磁波放大3 萬倍以上。這一突破有望為6G 通信頻率的商業化帶來變革。相關論文發表于最新一期《納米快報》雜志。

以前，即使利用超級計算機處理，設計太赫茲納米諧振器也很耗時。在最新研究中，研究人員利用個人計算機，通過集成基于物理理論模型的人工智能（AI）學習，提高了太赫茲納米諧振器的效率，并通過一系列太赫茲電磁波傳輸實驗，對新開發的納米諧振器的效率進行了評估。評估結果令人震驚：新設計出的太赫茲納米諧振器產生的電場是一般電磁波產生電場的3 萬倍。而且，與之前報道的太赫茲納米諧振器相比，新諧振器的效率提高了3 倍。

研究人員解釋道，一般來說，基于AI 的逆向設計技術主要用于在可見光或紅外區域內設計光學器件結構，但這些區域僅為所有波長的一小部分。將這些技術應用于6G 通信所用的太赫茲頻率范圍（0.075 THz-0.3 THz）面臨極大挑戰，因為太赫茲的波長要小得多。

鑒于此，團隊設計了一種創新方法，將一種新的太赫茲納米諧振器與基于物理理論模型的AI 逆向設計方法相結合。這種方法能在不到40小時內對設備進行優化，即使在個人計算機上也是如此。而此前，科學家進行一次此類模擬需要數十小時，對設備優化一次可能需要數百年。

研究人員強調，優化后的納米諧振器有望對超精密探測器、超小分子探測傳感器和熱輻射計等設備產生重大影響。而且，這項研究中使用的方法不僅限于特定的納米結構，還可擴展到使用不同波長或結構的物理理論模型的研究。

（來源：科技日報）

首個由石墨烯制成的功能半導體問世電子遷移率是硅的10倍

科技日報2024 年1 月5 日報道，中國天津大學和美國佐治亞理工學院研究人員創造了世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體。該項突破為開發全新電子產品打開了大門。研究成果于2024 年1月3日發表在《自然》雜志。

石墨烯是由已知最強的鍵連接在一起的單片碳原子。半導體是在特定條件下導電的材料，是電子設備的基本組件。石墨烯電子學中長期存在的問題是石墨烯沒有合適的帶隙，并且無法以正確的比率打開和關閉。多年來，許多人嘗試用各種方法來解決這個問題。最新技術實現了帶隙，這是開發基于石墨烯的電子產品的關鍵一步。

研究團隊在使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長石墨烯時取得了突破。他們生產了外延石墨烯，這是在碳化硅晶面上生長的單層。研究發現，當制造得當時，外延石墨烯會與碳化硅發生化學鍵合，并開始表現出半導體特性。

但要制造功能性晶體管，必須對半導體材料進行大量操作，這可能會損害其性能。為了證明他們的平臺可作為可行的半導體發揮作用，該團隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。

他們將原子放在石墨烯上，利用摻雜技術向系統“捐贈”電子，用于查看該材料是否是良好的導體。測量表明，他們的石墨烯半導體的遷移率是硅的10 倍。換句話說，電子以非常低的阻力移動，這在電子學中意味著更快地計算。研究人員表示，這就像在碎石路上行駛與在高速公路上行駛一樣。它效率更高，升溫幅度不大，并且速度更高，因此電子可移動得更快。

新開發的產品是目前唯一具有用于納米電子學的所有必要特性的二維半導體，其電學特性遠遠優于目前正在開發的任何其他二維半導體。

研究人員表示，外延石墨烯可能會引起電子領域的范式轉變，并導致利用其獨特特性的全新技術。該材料允許利用電子的量子力學波特性，從而滿足量子計算的要求。

（來源：科技日報）

世界首臺聚合物燃燒過程實時在線分析儀通過鑒定

科技日報2023 年12 月22 日報道，四川大學完成的“聚合物燃燒過程實時在線分析儀器與系統”項目日前通過成果鑒定。這是世界首臺（套）能同時實時在線檢測與分析聚合物阻燃性能、真實燃燒行為與阻燃機理的科研儀器。

有機高分子材料目前正廣泛應用于國民經濟和人民生活。與金屬材料和無機非金屬材料相比，有機高分子材料具有易燃性，易引發火災。賦予有機高分子材料阻燃性，是從源頭上解決易燃高分子材料引發火災的有效措施。但由于缺乏能夠實時在線精確分析聚合物燃燒過程的儀器，已有阻燃機理研究僅能在非真實火環境下進行，不能有效指導阻燃化設計。

為此，四川大學化學學院王玉忠院士團隊歷時近40 年，對高分子材料無鹵阻燃領域系統進行研究，提出和發展了阻燃新理論和新方法，并開發出各種無鹵阻燃高分子材料體系與阻燃技術。相關體系與方法已在國內外企業中得到應用。

研究團隊創制出的聚合物燃燒過程實時在線分析儀器與系統，能夠科學表現聚合物真實燃燒行為，實時在線分析聚合物熱釋放、煙釋放、瞬態自由基、官能團、精細化學結構、表征燃燒和阻燃性能等，并同時原位分析燃燒行為和機理。聚合物燃燒過程實時在線分析儀器與系統的成功研制填補了聚合物燃燒實時在線分析檢測領域的空白。由中國儀器儀表學會組織的專家團隊鑒定認為，該聚合物燃燒過程實時在線分析儀器與系統技術水平高、創新性強、具有自主知識產權，各種性能及功能指標優于現有國內外用于阻燃研究的商品化儀器。

（來源：科技日報）

我國首套煤層氣提取高純氦氣裝置成功應用

科技日報2024 年1 月3 日報道，從中國煤炭科工集團獲悉，該集團煤炭科學技術研究院有限公司（以下簡稱煤科院）承建的我國首套含氦煤層氣提取高純氦氣裝置近日成功應用，順利產出99.999%以上純度的高純氦氣。這標志著我國完全掌握了含氦煤層氣提氦成套工藝及其工程化技術。我國含氦煤層氣提取高純氦氣技術獲得重要進展。

“氦氣是高科技產業發展不可或缺的稀有戰略性物資之一，被稱為‘黃金氣體’。”煤科院煤化工分院炭材料研究所副所長、項目技術負責人郭昊乾介紹，氦氣用途極其廣泛，可應用于航空航天、高端醫療、半導體制造、大科學裝置等眾多領域。目前，氦氣唯一的工業化生產方式是從天然氣中提取。

煤科院此次開發的含氦煤層氣提取高純氦氣裝置應用于窯街煤電集團所屬海石灣煤礦。該煤礦煤層氣屬于我國極為稀少的含氦煤層氣資源。煤層氣作為一種非常規天然氣，相較于常規天然氣，其成分更為復雜，提取氦氣難度大。而海石灣煤礦煤層氣同時還含有大量的二氧化碳，分離提氦難上加難。

為解決含氦煤層氣制備高純氦氣難題，自2021 年開始，煤科院聯合窯街煤電集團圍繞含氦煤層氣提氦技術開展科研攻關。郭昊乾介紹，憑借在氣體分離提純領域的技術積累，煤科院攻關團隊融合變壓吸附、膜分離等多項氣體分離關鍵技術，創新開發了“變壓吸附+膜分離+精制純化”的煤層氣提氦工藝。

“這種煤層氣提氦工藝不同于天然氣液化提氦，我們攻克了多組分煤層氣變壓吸附脫碳、濃縮、提氦一體化分離關鍵技術以及膜分離和高效精制純化耦合關鍵技術，提取的氦氣純度最高可達99.9999%以上，為高純氦氣資源獲取提供了新途徑。”郭昊乾說，不僅如此，提取氦氣后的煤層氣可繼續用作發電原料氣，使煤層氣和氦氣資源同時得到高效利用，為企業創造了“一舉多得”的經濟、社會和環境效益。

據介紹，下一步，煤科院提氦成套工藝技術將推廣應用至常規天然氣提氦領域，以增加我國氦氣資源供給途徑，為我國低溫超導、高溫氣冷堆和大科學裝置等領域發展提供資源保障。

（來源：科技日報）

首款國產甲醇船用發動機將實現產業化應用

科技日報2023 年12 月22 日報道，記者從中國農業發展集團獲悉，該集團所屬淄柴動力有限公司研發的甲醇∕柴油雙燃料發動機日前獲得由中國船級社青島分社頒發的國內首張甲醇∕柴油雙燃料船用發動機的型式認可證書和產品證書。這款發動機將應用在國內首艘甲醇∕柴油雙燃料萬噸級電力推進散貨船上。這標志著中國自主品牌的低碳環保甲醇船用發動機將實現產業化應用。

“甲醇是國際公認的低碳清潔燃料之一。將其作為船舶動力燃料，是助推船舶領域實現節能降碳的重要技術路徑。”淄柴動力有限公司副總經理、總工程師辛強之說。

據了解，淄柴動力有限公司自2017 年開始進行甲醇∕柴油雙燃料發動機關鍵技術攻關。該公司通過與天津大學等高校院所、相關零部件配套廠家聯手，成功自主研發了國內首款甲醇∕柴油雙燃料發動機。發動機缸徑180毫米、功率880千瓦，最高柴油替代率可達76%，平均柴油替代率達50%以上。

辛強之介紹，這款發動機采用甲醇∕柴油組合燃燒技術。該技術通過對柴油與甲醇的協同控制，解決甲醇發動機難以冷起動的難題，可有效提高發動機熱效率，在結構上實現與現有柴油機最大限度的兼容。

“甲醇在中高速船用發動機的成功應用，可有效提升船舶動力燃料的節能環保性能，同時降低船舶動力燃料的成本。”辛強之說。在減碳方面，與燃燒柴油相比，灰醇可實現減碳10%以上，綠醇可實現減碳90%以上。

辛強之表示，甲醇∕柴油雙燃料發動機的產業化應用具有非常廣闊的前景，同時將產生十分顯著的社會效益和經濟效益。

（來源：科技日報）

我國第三代超導量子計算機“本源悟空”上線運行

科技日報2024 年1 月6 日報道，中國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”在本源量子計算科技（合肥）股份有限公司（以下簡稱本源量子）正式上線運行。

該量子計算機搭載72 位自主超導量子芯片“悟空芯”，是目前中國最先進的可編程、可交付超導量子計算機。

超導量子計算機是基于超導電路量子芯片的量子計算機。國際上，IBM 與谷歌量子計算機均采用超導技術路線。此次發布的中國第三代72 比特超導量子計算機取名“悟空”，來源于中國傳統文化中的神話人物孫悟空，寓意如孫悟空般“72變”。

安徽省量子計算工程研究中心副主任孔偉成介紹稱，“本源悟空”匹配了本源第三代量子計算測控系統“本源天機”，在國內首次真正落地了量子芯片的批量自動化測試，量子計算機的整機運行效率提升了數十倍。

量子計算芯片安徽省重點實驗室副主任賈志龍介紹說，“悟空”搭載的72 位超導量子芯片“悟空芯”在中國首條量子芯片生產線上制造，共有198 個量子比特，其中包含72 個工作量子比特和126 個耦合器量子比特。

中國第三代可交付超導量子計算機科研團隊主要負責人、中國科學院量子信息重點實驗室副主任郭國平說，中國可交付自主超導量子計算機雖然取得了一定的進展，但是要清醒看到和世界量子計算強國間尚有不小差距。我國基層量子計算科研團隊唯有通過一代又一代人的接續奮斗，繼續緊緊咬住全球量子計算科技前沿，才能把量子計算機關鍵核心技術牢牢掌握在中國人自己手里，力爭造出更強中國人自己的量子計算機。

據了解，本源量子第一代、第二代超導量子計算機均已交付中國用戶使用。本源量子擁有中國首條量子芯片生產線、中國首款量子計算機操作系統、中國首個量子計算測控系統。本源量子計算專利數排名中國第一、全球第六。

（來源：科技日報）

中國科學院深圳先進院重大科研成果發表超靈敏軟體微米機器人問世

深圳新聞網2024 年1 月7 日報道，把彈簧結構運用到微觀世界中，開發出具備彈性結構的微納器件，是科學家們長久以來的一大構想。

2024 年1 月4 日，中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所副研究員徐海峰團隊的最新研究成果發表于《自然—納米技術》。研究團隊運用首次構建的彈性模量維度4D 納米彈性體光刻策略，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統，探測靈敏度達到500 飛牛，實現了皮牛力下微米級的形變，并基于此開發出一系列具有超靈敏度的軟體微米機器人，實現了高精度細胞力學研究及細胞的無影響操縱，有望為顯微外科手術和靶向藥物輸送等精準醫療領域提供新方法。

在微觀世界中，一些細胞和微生物使用生物彈簧來執行力感知、捕食、驅動等動作。如果能借鑒微生物和細胞的超靈敏生物力學特性，研發出超靈敏的仿生彈性器件，將有助于進行更為精準的細胞力學表征，有望運用在精準醫療、藥物遞送、科學研究等領域。

“細胞力是細胞在執行正常生理功能時所產生的作用力，包括細胞的黏附力、遷移力、收縮力、伸展力等，在細胞生長、發育、分化、運動、損傷修復等過程中發揮重要作用。感知和探測細胞力，是超靈敏仿生彈性器件實現相關功能的重要一環。器件能探測更低的細胞力，則說明其靈敏度越高。”徐海峰介紹。

傳統用于測算和感知細胞力學表征的原子力顯微鏡表征方法、流體力學計算等方法都極容易受到干擾，且數據差異很大，無法實現細胞力學的精準表征。

對此，研究團隊構想了一種微米級別的彈性機器人用以探測更低的細胞力，并自主開發了超彈磁性光刻膠，構建了彈性模量維度的4D 納米彈性體光刻策略，制備了人造彈簧系統——皮牛彈簧。“該系統具有納米級的特征尺寸，它的力感知的靈敏度可以達到500 飛牛，這相當于單個細胞重力的一千分之一，并且其形變精度超過1 微米每皮牛。”徐海峰說。

這一新型皮牛彈簧支持高度自由的4D 光刻加工，可以被定制化加工成任意形狀，同時完美兼容磁性光刻材料，可用于制備各類軟體微米機器人和柔性微米器件，如用于測量精子驅動力的微米測力計、用于細胞操縱的微米鑷子及進行自驅動的微米企鵝和微米海龜等機器。

（來源：深圳新聞網）

浙大團隊實現丙烯、丙烷高純分離

中國新聞網杭州2023 年12 月15 日報道，記者從浙江大學獲悉，該校科研團隊研發出一種新型陰離子功能化多孔材料ZU-609，通過調控孔口大小和孔腔尺寸，實現了丙烯、丙烷的精準篩分與高丙烯擴散速率。據悉，相關論文于北京時間2023年12 月15 日以“First Release”形式在線發表在國際頂級期刊《科學》。

丙烯是世界上產量最大的化工品之一，也是重要的基礎化工原料。然而在工業生產中，因丙烯與丙烷只有兩個氫原子的差別，且大小也非常接近，很難簡單分離。《自然》雜志曾指出，發展高效節能的烯烴∕烷烴分離技術被譽為七項可以改變世界的化工分離過程之一。

基于此，浙江大學化學工程與生物工程學院、杭州國際科創中心邢華斌教授、楊立峰研究員團隊開始技術攻關。

分子篩分是實現尺寸相似物質高選擇性識別的關鍵機理。其基本原理就是僅允許尺寸比吸附劑孔口小的分子進入孔道，尺寸大的分子被阻擋。

理論很完美，現實很殘酷。由于狹窄的孔道會限制分子在內部的擴散，分子篩分材料長期以來面臨著擴散傳質差、吸附容量低、脫附難度大等問題，從而嚴重影響分離效率。

“為了提高烯烴通過速率，工業中常用高溫來‘驅趕’氣體快點‘跑’。”邢華斌說，但這種方式降低了吸附劑的工作容量，也增加了分離過程能耗，不利于工業的大規模推廣。

如何在有限的空間里實現物質快速傳遞，即化學工程的“限域擴散傳質”難題，一直是前沿研究領域。邢華斌說，在實驗室的小瓶小罐里實現烯烴∕烷烴精準分離，放到工廠里幾百方幾千方大小的裝置設備里就不一定管用了，因此讓分離過程更“快”，是提高化工過程效率的關鍵技術挑戰，對于工業應用具有重要意義。

由此，浙大科研人員精準調控，研發出快速、高效、低碳的分子篩材料ZU-609。這個新型分子篩材料通過對孔口的精準控制，僅允許丙烯分子進入，阻擋丙烷分子的通過，達到快速精準識別的效果。

為了讓分離過程更快速，浙大研究人員采用了“兩頭小中間大”的篩分孔道，在孔道的進口和出口分別有“隔離墩”來阻擋丙烷分子，丙烯進入之后，又能在“中間寬”的孔道中快速通過，擴散系數相比于之前的分子篩材料提高了1-2個數量級。

“我們研制的新型分子篩，既能夠快速拉住通過其中的丙烯分子，同時還能夠快速放手，這為高效低碳分離丙烯奠定了基礎。”楊立峰說。

變壓吸附計算結果表明，ZU-609 丙烯分離能耗相較于之前報道的篩分材料顯著降低、丙烯生產效率提高2 倍。“我們的研究為微孔擴散傳質強化這一化學工程核心問題提供了新思路，為低碳分離技術發展奠定了基礎。”邢華斌介紹，這也有利于超高純電子化學品的國產化制備。

（來源：中國新聞網）

2023 全球工程前沿及全球十大工程成就發布

2023 年12 月20 日，中國工程院、科睿唯安、高等教育出版社在北京聯合發布《全球工程前沿2023》報告。當天還發布了由中國工程院院刊《工程（英文）》評選的“2023 全球十大工程成就”。

《全球工程前沿2023》報告由中國工程院全球工程前沿項目組編制，主要圍繞機械與運載工程，信息與電子工程，化工、冶金與材料工程，能源與礦業工程，土木、水利與建筑工程，環境與輕紡工程，農業，醫藥衛生，工程管理等9 個領域，研判93項工程研究前沿和94 項工程開發前沿。

報告指出，2023 全球工程前沿呈現三大特征。其一，新興前沿持續演進，新一輪科技革命和產業變革深入發展，機器人、大模型、量子芯片、合成生物學、泛基因組等新興技術不斷突破，為全球科技和產業創新提供新動能。其二，交叉前沿融合創新，學科交叉融合持續推進，人工智能、機器人、可再生能源等新技術加速向各領域滲透融合，邁向智能化、無人化、精準化、低碳化，催生全球科技和產業創新發展新模式。其三，應用前沿深入發展，以應用場景驅動，以解決復雜問題為導向，多目標協同、多維度兼顧，統籌局部與整體、本體和環境、數量和質量、品質和效率，拓展全球科技與產業創新格局。

2023 全球十大工程成就經由全球征集提名、專家遴選推薦、公眾問卷調查、評選委員會審議確定。本次發布的成就包括：ChatGPT、中國空間站、百億億次超級計算機、白鶴灘水電站、雙小行星重定向測試、RTS,S∕AS01 瘧疾疫苗、鴻蒙操作系統、Spot&Atlas 機器人、鋰離子動力電池、無人駕駛航空器。

本次評選發布的全球十大工程成就有三個特點：一是代表了某一個或多個工程科技領域最先進的技術水平或者重大的原創性突破，能夠引領未來技術進步方向。二是通過技術整合、系統集成、資源優化配置達成了整體目標，呈現出顯著的系統集成創新特色。三是催生新產業、新動能，具有重要的產業帶動和經濟驅動價值，代表新質生產力發展方向。

（來源：中國科學報）