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超低成本電池陰極材料

研發成功

科技日報2024年9月25日報道，據最新一期《自然·可持續性》雜志報道，美國佐治亞理工學院領導的多機構團隊開發出一種革命性低成本陰極材料——氯化鐵，其成本僅為典型陰極材料的1%～2%，但可儲存相同數量的電量。該項成果將極大地改善電動汽車市場以及整個鋰離子電池市場。

電動汽車等大規模能源用戶對鋰離子電池的成本尤其敏感。目前，電池約占電動汽車總成本的50 %，這使得清潔能源汽車比許多內燃機汽車更昂貴。在電池結構中，陰極材料會影響容量、能量和效率，在電池的性能、壽命和價格承受能力方面發揮著重要作用。

從2019年開始，研究團隊嘗試使用氯化物基固體電解質和傳統商用氧化物基陰極制造固態電池，結果證明陰極和電解質材料無法兼容。團隊最終發現，氯化物基陰極可以與氯化物電解質更好地匹配，從而能提供更好的電池性能。其中氯化鐵的晶體結構更適合儲存和運輸鋰離子。

目前，電動汽車中最常用的陰極材料是氧化物，需要大量昂貴的鎳和鈷，這些重元素可能有毒，對環境構成挑戰。相比之下，新開發的陰極材料只含有鐵和氯。這兩種元素常見于鋼鐵和食鹽中，儲量豐富、價格低廉。

在初步測試中，氯化鐵的表現與其他價格高得多的陰極材料一樣jAtJuDo5b56cU8EVNon+SROHZC16jT6y8dNRyXYLSDw=好，甚至更優。例如，它的工作電壓比常用的陰極磷酸鐵鋰更高。

截至目前，只有4種類型的陰極材料成功商業化應用于鋰離子電池。新開發的陰極將是第5種，代表了電池技術的一大進步：全固態鋰離子電池的開發。團隊表示，這項技術或能在不到5年的時間內在電動汽車中實現商業化。

氯化鐵的工作電壓比現有的電極材料更高，這意味著使用氯化鐵的電池會有更大的容量。氯化鐵電極有良好的穩定性和較低的退化率，有助于降低電池的更換頻率。而且，氯和鐵到處都有，這意味著成本的降低和對環境影響的輕微。如果氯化鐵能成功商用，對固態電池的意義是劃時代的。未來不光電動汽車受益，手機和無人機也將變得更加強勁持久。我們再次意識到，化學和材料學是現代產業的支撐。新的超級材料能為人類的幸福生活提供強大助力。

（2024年9月25日 張夢然 科技日報）

珠峰近年為何突然“長高”？

科學家最新研究揭示原因

中國新聞網2024年10月1日報道，被譽為“地球第三極”的世界最高峰珠穆朗瑪峰（珠峰），近年為何突然“長高”備受全球關注。

施普林格·自然旗下專業學術期刊《自然-地球科學》北京時間9月30日夜間在線發表一篇中外科學家合作完成的論文認為，珠峰近年的隆升可能部分歸因于約8.9萬年前一次河流襲奪事件對地貌的影響。論文作者估計，這一事件或使珠峰的高程增加了15-50米。

該論文介紹，印度板塊與歐亞板塊的持續匯聚形成了喜馬拉雅山脈，造就了地球上一些高峰。其中，海拔近8 849米的珠峰比世界第二高峰高出約250米。先前對全球定位系統（GPS）數據的分析顯示，珠峰近年以每年約2毫米的速度隆升，這一速度超過了對喜馬拉雅山脈整體隆升速度的預期。這一現象表明，除了持續的區域構造運動外，可能還存在其他機制促進了珠峰的隆升。

在本項研究中，論文共同通訊作者、中國地質大學（北京）王成善院士團隊的戴緊根教授和同事及合作者一起，對珠峰附近河流的變化是否推動了珠穆朗瑪峰近年的隆升進行研究。他們利用數值模型模擬了阿潤河及其下游網絡的演變，并與當前地形進行對比。模擬結果顯示，阿潤河在8.9萬年前曾襲奪上游朋曲。這次河水改道導致河流在適應新河道的過程中發生了快速侵蝕，最終形成深切的阿潤河大峽谷。

戴緊根教授指出，雖然河流侵蝕可能導致沿河道的高程局部降低，但峽谷形成造成的大量物質被帶走，可能引起包括珠峰在內的周圍地貌的隆升作為補償反應。

論文作者總結認為，盡管與板塊運動相比，河流襲奪對地形變化的貢獻可能相對較小，但這一過程對于區域侵蝕模式和山峰的進一步隆升都可能產生重要影響。

（2024年10月1日 孫自法 中國新聞網）

受人類骨骼啟發，空心混凝土

抗損度提高5.6倍

科技日報2024年9月27日報道，受人類骨骼堅硬外層結構的啟發，美國普林斯頓大學工程師開發出一種新型混凝土，能抵抗開裂和突發性破壞，抗損傷能力比普通混凝土高出5.6倍。相關論文發表于最新一期《先進材料》雜志。

在開發這種新型混凝土時，研究人員從人類密質骨中獲得了靈感。這種人類股骨的致密外殼，由被稱為骨單位的橢圓形管狀結構組成。其形狀和排列方式能在這些骨單位周圍分散裂紋，防止它們在受到沖擊時斷裂。

為了澆筑這種仿生混凝土，研究人員用聚乙烯醇3D打印了一個管狀模板模具。然后，他們將橡膠倒入模具中制作出該模板的底片。最后，他們將橡膠溶解以形成聚氨酯硅模具，并用它來澆筑混凝土。

憑借巧妙的仿生設計，新型混凝土的空心管可“捕捉”裂紋并阻止其進一步擴展。這與通過向混凝土中添加纖維、塑料等材料來增強其強度的方法截然不同。新方法能夠控制每個裂紋的擴展使得材料不會一次性全部斷裂，并能承受漸進性損傷，使材料變得更加堅固。

研究人員進行了三點彎曲測試和單邊缺口彎曲測試。他們使用2毫米厚的金剛石鋸片和剃刀在混凝土上切出缺口，并多次重復該過程，以收集有關材料斷裂韌性的數據。結果表明，新型混凝土抗損傷能力比普通混凝土高出5倍以上。這不僅意味著建筑物更加安全，還可減少混凝土生產，對環境保護大有裨益。

（2024年9月27日 張佳欣 科技日報）

新型電路為機器人“思考”

騰出空間

科技日報2024年10月9日報道，英國倫敦國王學院研究人員首次研發出無需電力就能向機器人發出復雜指令的方法，這能為機器人“大腦”騰出更多“思考”空間。這一世界首創成果為新一代機器人的誕生開辟了可能。研究成果發表在最新一期《先進科學》雜志上。

研究人員模仿人體某些部位的工作原理，使用一種新型緊湊型電路，通過內部流體壓力的變化，向設備傳輸了一系列指令。通過將軟件的工作卸載到硬件上，新型電路可為機器人的“思考”騰出計算空間，原本用于控制中心的空間可轉而用于運行更復雜的AI軟件。

研究人員稱，簡單來說，機器人分為兩部分，即大腦和身體。AI大腦可幫助管理城市的交通系統，但為什么許多機器人仍然連一扇門都打不開呢？原因在于，硬件沒有跟上軟件的迅速發展。通過創建一個獨立于運行軟件的硬件系統，大量計算任務即可轉移到硬件上，就像人腦不需要告訴心臟要跳動一樣。

目前，所有機器人都依賴電力和計算機芯片運行。機器人的“大腦”由算法和軟件組成，通過編碼器將信息傳遞給身體或硬件，然后執行動作。在軟體機器人領域，這一問題尤為突出。該領域使用軟質材料制造如機器人肌肉之類的設備，通常會引入硬質的電子編碼器，并對軟件施加壓力，使材料以復雜的方式行動。

研究人員開發了一種帶有可調閥門的可重構電路。它被放置于機器人硬件中，而閥門的作用類似于普通電路中的晶體管。工程師可通過壓力直接向硬件發送信號，模仿二進制代碼，從而使機器人無需電力或中央大腦的指令就能執行復雜動作。與目前基于流體的電路相比，這可實現更高水平的控制。

這項成果有望促成在電力驅動設備無法工作的環境中運行的機器人問世，比如能在輻射區勘探，或在磁共振成像室等電力敏感環境中作業。

（2024年10月9日 張佳欣 科技日報）

跨越7公里！我國科學家研究

分布式光量子計算獲重要進展

央視新聞客戶端2024年10月8日報道，從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊在量子網絡領域取得重要進展——基于固態量子存儲實現跨越7公里的分布式光量子計算。研究成果于10月2日發表在國際期刊《自然·通訊》上。

該團隊李傳鋒、周宗權、柳必恒等人基于多模式固態量子存儲和量子門隱形傳送協議，在合DNusUK1vj/HvLqNAElZipnlroMT+eA9/1JPe6zfhfL0=肥市區實現了跨越7公里的非局域量子門。

分布式量子計算是解決量子計算可擴展性難題的一條可行路徑，它通過非局域量子門連接獨立的量子計算節點，從而整合量子網絡中的算力資源來實現量子計算規模的提升。然而，非局域量子門目前僅在數十米的尺度下實現實驗演示，無法滿足在大尺度量子網絡中整合算力資源的需求。

在該工作中，研究團隊基于量子門隱形傳送協議來建立兩個量子節點之間的非局域量子門。兩個量子節點之間的直線距離為7公里，分別位于中國科學技術大學東校區（簡稱中國科大）和合肥市大蜀山東側（簡稱大蜀山）。研究團隊首先在兩節點間使用通信波段光子和專線光纜進行了量子糾纏態的遠程分發。隨后，中國科大節點和大蜀山節點分別執行本地的兩比特量子門操作。中國科大節點采用摻銪硅酸釔晶體實現糾纏光子的存儲，直到接收到大蜀山節點的測量結果，并根據這一結果執行相應的單比特門操作。

實驗結果表明，固態量子存儲器的糾纏存儲時間達到80.3 μs，相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲的時間模式數達1 097個，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性的提升。基于非局域量子門，研究團隊進一步操控，實現了量子算法的遠程分布式執行。

該工作首次在城市距離上實現分布式光量子計算的演示，展示了基于量子存儲和通信光纜構建分布式量子計算網絡的可行性，為規?；孔佑嬎愕膶崿F提供了新思路。

（2024年10月8日 王利 央視新聞客戶端）

氮摻雜單原子層非晶碳的

可控液相合成方法獲揭示

中國科學報2024年9月26日報道，二維非晶碳是碳材料家族的一種新型同素異形體。與石墨烯的周期性蜂窩結構不同，單原子層的非晶碳由五、六、七元碳環無序拼接而成。研究人員此前通過化學氣相沉積方法在非平衡條件下成功制備了該材料，并發現非晶結構可顯著調控碳材料的導電性和機械強度等物理性能。

雖然化學氣相沉積被廣泛用于制備石墨烯及其衍生材料，但其高溫條件不利于異質原子在碳原子網絡中的穩定摻雜。相比之下，液相聚合方法在高分子化學合成被廣泛采用，該方法條件溫和，前驅體選擇多樣。然而，在液相聚合中，反應中間體構象多變且存在復雜的立體相互作用，因此使用液相聚合法難以獲得具有二維拓撲結構的產物。

為此，中國科學院大學教授周武、國家納米科學中心研究員裘曉輝與北京航空航天大學教授郭林、教授劉利民、清華大學教授谷林等組成的研究團隊發展了一種利用納米尺度二維限域模板進行小分子聚合的液相合成策略，成功制備了氮元素摻雜的單原子層非晶碳材料。該方法利用層狀模板的限域作用，將自由基中間體的聚合過程限制在二維平面內，最終形成了五、六、七元環共存的二維無序網絡結構。9月25日，該研究成果在線發表于《自然》。

利用低電壓掃描透射電子顯微鏡技術，研究團隊精確解析了碳原子和氮原子在二維非晶碳網絡中的分布，證實了氮原子成功嵌入碳原子組成的平面網絡中，并確認了氮摻雜濃度可達9%。通過第一性原理計算，研究團隊進一步揭示了該材料的形成機制，發現受限空間中的化學反應模式發生了顯著變化。光學和電學性質測試表明，該材料具有p型半導體特性，為研究原子摻雜對二維非晶碳材料的電子局域化現象的影響提供了獨特的實驗平臺。該項工作在二維聚合物限域合成領域邁出了重要一步，為未來開發性能優越的二維非晶材料提供了新途徑。

該工作得到了中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、中國科學院大學電子顯微學實驗室、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京高校卓越青年科學家計劃等項基金的支持。

（2024年9月26日 張晴丹 中國科學報）

科學家揭秘大氣急流對

氣候和生態的影響

光明日報2024年10月7日報道，西北大學城市與環境學院教授徐國保9月25日以第一作者身份在國際期刊《自然》發表長文《大氣急流影響了歐洲七個世紀的極端事件》。研究團隊系統地探討了大氣急流的位置變化對歐洲森林生態系統和社會、經濟的影響，揭示了西北歐和東南歐之間對比鮮明的氣候條件對農業、經濟和社會的影響。

急流是位于上層大氣中的高速風帶，分別在北半球和南半球由西向東環繞地球。急流的位置并不固定，會隨著高、低壓系統的位置和強度變化而向北或向南移動，甚至改變其路線。這些高、低壓系統直接影響地球表面的氣候條件，因此急流位置的變化會導致天氣狀況的改變，包括熱浪、洪水和干旱等極端事件，進一步影響農業生產力和全球糧食安全。

在北半球，急流在歐洲的位置變化，導致西北歐（如不列顛群島）和東南歐（如巴爾干半島）出現相反的氣候狀況和極端天氣現象，形成了一個類似于蹺蹺板的氣候“偶極”模態。當急流處于極北位置時，西北歐（不列顛群島）的天氣會變得更寒冷、潮濕，而地中海和巴爾干半島則會變得更溫暖、更干燥；相反，當急流向南移動時，它會把溫暖干燥的空氣拖到不列顛群島上空，把溫度更低、濕度更大的空氣推向歐洲東南部。

為了分析歐洲地區急流位置的歷史變動情況，研究團隊通過使用來自歐洲各地對溫度變化敏感的樹木年輪樣本，重建了過去700年的急流變化。經過長時間的比對、交叉定年、重建，徐國保團隊發現，西北歐和東南歐的氣候“偶極”現象在幾個世紀以來一直存在，并且在北極急流位置異常偏北或偏南時最為顯著。

研究團隊利用了現有的氣候重建數據以及數個世紀以來關于熱浪、干旱、洪水、風暴、收成、饑荒、疾病等歐洲豐富且可靠的文獻數據集，發現了急流緯度位置的極端變化與生物物候（葡萄收獲）、農eHGWRuI1eCLC3OWxJ/PAoQ==業經濟和人類人口影響之間存在著某種聯系。

據介紹，團隊研究成果加深了人類對工業化之前自然氣候系統變異性的理解，為改善研究人員賴以預測未來氣候的模型提供了關鍵數據，并揭示了自然氣候變異如何影響人類社會。

（2024年8月13日 馬愛平 科技日報）

光催化技術實現分子內

“氮占氧巢”

科技日報2024年10月8日報道，韓國高級科學技術研究所科學家憑借光催化技術，成功地從分子中提取出一個氧原子，并巧妙地用氮原子取而代之。最新研究有望改變藥物制造方式。相關論文發表于最新一期《科學》雜志。

分子內部即使出現微小的變化，也會產生重大影響。美國威斯康辛大學麥迪遜分校科學家此前就曾證實，改變雜環內的單個原子，會對藥物的療效產生深遠影響。先前的研究還表明，有些復雜分子可通過化學反應進行編輯，但成功者寥寥無幾。因此，當化學家想要對分子進行微調，甚至替換一個原子以用于測試時，他們必須從頭開始合成分子。

為打破這一困境，科學家一直在尋找更有效的方法來編輯分子，或者更具體地說，用一個原子替代另一個原子。在新研究中，韓國科學家開發出一種所謂“鉛筆—橡皮擦”技術：其中一個原子被擦除，另一個原子用“鉛筆”書寫。

這一技術的靈感源于化學家阿克塞爾·庫特爾和艾倫·拉布拉什·孔比耶于1971年發表的一篇論文。在那篇論文中，庫特爾和孔比耶使用紫外線將呋喃（最簡單的含氧五元雜環化合物）轉化為N-丙基吡咯，以提高其產量。但由于離域問題，這種編輯方法極具挑戰性。之前科學家的嘗試涉及施加高溫或輻射，但收效甚微。

在最新研究中，韓國科學家使用光催化劑來激活呋喃環，隨后利用紫外線，將呋喃中的氧原子與氮原子進行了交換。

（2024年8月13日 馬愛平 科技日報）