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命中“真問題”，鋰電儲能密度首次逼近理論極限

如何才能讓你的智能手機鋰電池體積小、使用時間長？把這個需求轉(zhuǎn)譯成科學語言是：如何讓鋰電具備高且穩(wěn)定的儲能密度和功率密度？這就需要正極和負極材料在盡可能小的體積空間儲存更多鋰離子并且能夠快速可逆充放電。

商業(yè)化的手機鋰電池正極材料通常用鈷酸鋰層狀氧化物，其理論可逆比容量是274mAhg-1（全部的鋰離子脫出來和嵌進去），提高工作電壓可以讓越來越多的鋰離子從晶格中脫出來，但結(jié)構(gòu)容易發(fā)生不可逆的過渡金屬鈷離子遷移和不穩(wěn)定的氧陰離子流失，產(chǎn)生有害的不可逆結(jié)構(gòu)相變和氧氣釋放行為。因此長期以來，鈷酸鋰（LCO）這樣的層狀結(jié)構(gòu)中只有50%—60%的鋰能在充放電過程中可逆脫嵌，對應獲得140—165mAhg-1的可逆容量。

北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊研發(fā)鋰電池鈷酸鋰正極材料取得重要突破，首次實現(xiàn)儲能密度逼近理論極限。團隊創(chuàng)新性地設計了一種梯度無序結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰正極（GDLCO），解決了層狀正極中長期存在的由于高電壓充放電引發(fā)應力集聚導致機械化學失效問題。該正極材料界面阻抗低、有效電壓高，表現(xiàn)出對化學機械應變的強大抵抗力，有效抑制了微裂紋的形成，最大限度地減少了界面副反應的發(fā)生，并減輕了材料在高電壓下的不可逆相變。這個電極將鈷酸鋰中鋰的利用率推高至93%（256mAhg-1，接近理論容量），同時還表現(xiàn)出超越現(xiàn)有高電壓鈷酸鋰材料的高循環(huán)穩(wěn)定性，這些優(yōu)異的性能與需要高能量、高功率的無人機電池相適配。研究團隊正在推進該新材料的產(chǎn)業(yè)化。這一突破還有助于進一步開發(fā)實用、高性能的新型正極材料。

二維半導體Lab-to-Fab關鍵環(huán)節(jié)打通

傳統(tǒng)硅基技術(shù)在亞3nm節(jié)點接近其物理極限，而二維半導體被視為亞1nm技術(shù)節(jié)點集成電路芯片的潛力溝道材料，在近期受到全球領先半導體芯片企業(yè)和研究機構(gòu)關注。二維半導體具備原子級超薄結(jié)構(gòu)和高遷移率優(yōu)勢，能在超短溝道晶體管中實現(xiàn)優(yōu)異的靜電控制和開態(tài)特性?，F(xiàn)階段，實現(xiàn)二維半導體和金屬電極的歐姆接觸將成為制備高性能彈道晶體管的關鍵因素。此外，目前國際上實現(xiàn)的高性能二維晶體管多基于機械剝離或厘米級的二維單晶，所以基于晶圓級二維半導體實現(xiàn)高性能晶體管的規(guī)?；苽?，也是推動二維電子學從實驗室走向工業(yè)應用（Lab-to-Fab）的核心挑戰(zhàn)。

近期，北京大學電子學院彭練矛—邱晨光課題組在二維半導體集成工藝方面提出“稀土釔元素誘導相變理論”，發(fā)明了原子級精準選區(qū)摻雜技術(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)離子注入摻雜結(jié)深無法小于5納米的工程限制，首次將源漏選區(qū)的摻雜深度推進到單原子層0.5納米極限，并基于二維半導體晶圓規(guī)?；苽涑龀虦系缽椀谰w管，實現(xiàn)了理想的歐姆接觸和開關特性，有潛力構(gòu)建未來更高性能、更低功耗的亞1納米技術(shù)節(jié)點芯片。

納秒級圖像處理，感算一體全光機器視覺“御”光前行

隨著傳感和計算模塊在邊緣基礎設施的廣泛部署，自然場景的高速感知、計算和重建至關重要。現(xiàn)有端側(cè)視覺智能大多為感算分離范式，即通過傳感器感知和采集光信號，轉(zhuǎn)換為電信號后進行智能任務的計算。光和電之間的頻繁轉(zhuǎn)換、后摩爾時代電子計算性能發(fā)展趨勢的減緩，制約了端側(cè)智能處理的速度和帶寬。

針對上述邊緣系統(tǒng)面臨的感算瓶頸，清華大學電子工程系方璐課題組提出了面向自然場景的感算一體全光智能計算架構(gòu)，研制了并行化全光感算陣列芯片（optical"parallel"computational"arraychip，OPCAchip），突破了非相干光場矩陣計算的難題，摒棄了“光感知—電計算”的感算分離范式，以“光入—光出”端到端的計算實現(xiàn)全光機器視覺，將非相干光場智能處理的速度提升至納秒量級，支持每秒千億像素規(guī)模的自然光場處理。

以OPCA芯片為代表的感算一體全光機器視覺，標志著智能光計算技術(shù)向端側(cè)應用領域的發(fā)展邁出了重要的一步。該芯片未來將與大規(guī)模智能光計算芯片集成，突破光電/電光轉(zhuǎn)換帶來的速度和功耗桎梏，實現(xiàn)從光感知到光處理的端到端全光智能感算。憑借其高速度、高帶寬的感算特性，有望為自動駕駛、工業(yè)檢測、智能機器人、VR/AR等領域帶來性能的顛覆性突破，應用前景廣闊。

聚合物電介質(zhì)的性能怎么平衡

脈沖功率電容器在電子器件、汽車、航天器、電磁彈射器等裝備中作為關鍵基礎元器件獲得廣泛應用。較之電解電容器，電介質(zhì)電容器具備超高功率密度、超快充放電速率、低成本等優(yōu)勢，而偶極玻璃態(tài)聚合物因其優(yōu)異的儲能密度、極低的能量損耗有望成為其理想材料。近日，西安交通大學張志成團隊有效解決了玻璃態(tài)聚合物優(yōu)異儲能性能與加工性能之間長期存在的矛盾。

他們基于理論模擬，設計了一種由氟原子取代的極性苯乙烯（4-氟苯乙烯，"4-FSt）與氟化長鏈甲基丙烯酸酯（如甲基丙烯酸三氟乙酯，"3FEMA）組成的無規(guī)共聚物材料。研究團隊通過引入長鏈側(cè)基增強材料加工韌性和極性，利用氟效應緩解柔性鏈段引起的擊穿強度下降和能量損失增加，有效解決了玻璃態(tài)聚合物優(yōu)異儲能性能與加工性能之間長期存在的矛盾。

176年后，他們從巴斯德手中接過科學的接力棒

1848年，路易斯·巴斯德在研究酒石酸鹽的結(jié)晶時，敏銳地觀察到了其晶體形貌的不對稱性：有形貌特征互為鏡像的兩種晶體（即相反手性的酒石酸鹽結(jié)晶）同時從溶液中析出?；谶@一形態(tài)學差異，巴斯德用鑷子手動分離了酒石酸銨鈉四水合物的外消旋混合物晶體。這一研究不僅是人類科學技術(shù)史上的第一例手性拆分實驗，而且還奠定了立體化學的基礎，因其優(yōu)雅簡潔且意義重大，被《化學化工新聞（Chemical"amp;"Engineering"News）》雜志評選為最美的化學實驗之首。

176年后的當下，北京大學化學與分子工程學院宛新華/張潔團隊接過了這一科學接力棒，他們通過加熱手性晶體的特定晶面，使它們向不同的方向跳躍，實現(xiàn)了對映體分離。研究團隊設計構(gòu)建了基于天冬酰胺單水合物外消旋混合物的動態(tài)晶體系統(tǒng)。在加熱水合物單晶時，晶格水從系統(tǒng)中脫除，驅(qū)動晶體運動。當對一對對映體單晶的特定晶面加熱時，相反手性的晶體呈現(xiàn)出向著相反方向跳躍的宏觀運動行為，進而可以實現(xiàn)對手性晶體的機械拆分。進一步的結(jié)構(gòu)分析表明，天冬酰胺分子在特定方向上形成了分子間氫鍵網(wǎng)絡，為水分子的熱逃逸提供了定向的通道；水分子在對映體晶體中的逃逸路徑完全鏡像，為晶體的定向跳躍行為奠定了基礎。

事實證明，通往“情緒共情”的路不止一條

當說到一個人“共情能力強”的時候，往往指的是他具備同理心，能設身處地體會別人的情緒感受、心理活動。科學角度來看，情緒共情是指感知、模仿他人情緒，這是一種維系動物社交生活和種族生存的重要能力。自閉癥社交障礙或創(chuàng)傷后應激障礙等患者都存在共情能力的缺失或超敏。所以，探究共情的神經(jīng)機制對這類疾病的診療具有重要意義。

東南大學生命科學與技術(shù)學院謝維團隊運用活性類群靶向重組系統(tǒng)、光遺傳學、化學遺傳學和雙光子鈣成像記錄等實驗方法，發(fā)現(xiàn)兩條具有獨立功能的神經(jīng)環(huán)路調(diào)控觀察性恐懼共情（OF）。即：腹側(cè)海馬（vHPC）的OF"Freeze編碼神經(jīng)元激活背腹側(cè)LS"GABA能神經(jīng)元至BLA的去抑制功能，且BLA作為vHPC→LS→BLA環(huán)路中的恐懼效應器調(diào)控OF，以及另一個功能獨立的環(huán)路vHPC→NAc調(diào)控OF。研究團隊的這一發(fā)現(xiàn)拓寬了情緒共情神經(jīng)網(wǎng)絡的研究，給研究共情相關情緒障礙的潛在機制提供了新的線索。

直接出導線，液態(tài)金屬3D打印進入next"level

隨著3D打印技術(shù)在柔性電子器件的設計和制造領域中的不斷應用與發(fā)展，液態(tài)金屬的3D打印技術(shù)，尤其是擠出型的3D打印技術(shù)，引起了極大的關注。液態(tài)金屬高表面張力、低粘度屬性導致了這類材料難于通過擠出型3D打印獲得，因此需要對其流變特性進行調(diào)控。目前的解決辦法是將液態(tài)金屬分散進聚合物基體內(nèi)形成復合導電油墨，盡管這些墨水具備剪切變稀的特性，能夠順利從打印針頭擠出，但僅能實現(xiàn)在平面基底上的圖案打印，打印線條極易蠕變，無法進行高度上的堆疊。此外，液態(tài)金屬油墨的可打印性與導電激活之間也存在矛盾。

對此，廈門大學材料學院白華與胡曉蘭兩位科學家把液態(tài)金屬與Carbopol凝膠復合，制備出高內(nèi)相乳液凝膠，以此作為3D打印的墨水。該材料具有出色的彈性行為和剪切變稀的流變特性。團隊提出了凝膠層在微粒受剪切時產(chǎn)生潤滑作用的概念，潤滑作用保證了高內(nèi)相乳液凝膠內(nèi)部緊密堆積的結(jié)構(gòu)在受到剪切力時不會破壞。利用該材料，團隊實現(xiàn)了高分辨率的立體結(jié)構(gòu)打印。利用液態(tài)金屬在電解質(zhì)凝膠連續(xù)相中的電毛細行為，他們還首次實現(xiàn)了施加電場激活油墨導電。

團隊完成了液態(tài)金屬導電線路在柔性基底的3D打印，并首次實現(xiàn)了在非平面結(jié)構(gòu)上3D打印液態(tài)金屬導線，這將擴大液態(tài)金屬在復雜結(jié)構(gòu)器件上的應用，如柔性電子設備、可伸縮天線等。該材料可作為一種直接墨水書寫型3D打印的通用導電油墨，通過實現(xiàn)液態(tài)金屬導電油墨與其他材料交替打印，展現(xiàn)了一體化打印柔性電子器件的潛力。

為了捕捉更多的光，LED誘導熒光探測器被設計成“風車型”

中國科學院大連化學物理研究所耿旭輝、關亞風團隊研制出一種小型“風車型”三通道"LED"誘導熒光探測器（LED-IF），并將其應用于多種真菌毒素的高靈敏檢測中。該工作拓寬了深紫外LED熒光檢測器的研制思路和應用方向，也為紫外/深紫外波段熒光分析檢測提供了新路線。

具體看，研究團隊通過三維光路設計并結(jié)合光學模擬實現(xiàn)了檢測池附近空間的高光效利用，提出一種新型多通道LED-IF光路結(jié)構(gòu)。相較于典型的共線式熒光光路結(jié)構(gòu)，新光路結(jié)構(gòu)各通道收集到的熒光強度均大幅提高。

他們發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)輔以大功率紫外LED、大感光面積光電二極管、球面反光鏡，能進一步提高儀器的檢測信噪比。最終，檢測器對AFB2、OTA和ZEN的檢測限（LOD、3倍峰值噪音）為0.33ng/L、1.80ng/L和28.2ng/L。此外，團隊將檢測器與高效液相色譜儀聯(lián)用，同時分析了6種真菌毒素。結(jié)果表明，檢測器的檢測限優(yōu)于基于氙燈和PMT探測的高性能商品化熒光檢測器。此外，該檢測器的體積、功耗、重量與商品化熒光檢測器相比，均降低了一個數(shù)量級以上，可與便攜式液相色譜儀或流動注射系統(tǒng)聯(lián)用，有望實現(xiàn)水質(zhì)、空氣、食品污染中真菌毒素的現(xiàn)場分析檢測，具有廣闊的應用前景。