小型激光設備創質子加速能量新紀錄等

小型激光設備創質子加速能量新紀錄

科技日報2024年5月14日報道，德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心科學家在激光等離子體加速方面取得重大進展。他們采用一種創新方法，成功將質子能量從約80兆電子伏特提高到150兆電子伏特。這一成果大幅超越了此前的質子加速紀錄，讓小型激光設備首次獲得迄今僅在更大型設施中才能獲得的能量水平。最新研究有望促進醫學和材料科學的發展。相關論文發表于13日出版的《自然·物理學》雜志。

與傳統加速器相比，激光等離子體加速器并不依賴強大的無線電波推動粒子運動，而是利用激光加速粒子。但這項技術目前處于研究階段，全球僅有幾個超大型激光系統能夠實現將質子加速到100兆電子伏特的能量水平。

研究負責人蒂姆·齊格勒表示，為了使用更小激光設備以及更短脈沖實現類似高加速器能量，他們利用了激光閃光這一特性，即一小部分激光就像“搶跑”一樣，在特制的塑料箔內觸發一系列復雜的加速機制。這極大地提升了名為DRACO的激光器的質子加速能量。

研究結果顯示，DRACO激光器此前的質子加速能量紀錄約為80兆電子伏特，現在能達到150兆電子伏特，幾乎是原來的兩倍。而且，加速的粒子束展現出高能且勻速運動的卓越特性。

研究團隊認為，這一突破有望使小型激光等離子體加速器在醫學領域發揮重要作用，特別是在精準腫瘤治療方案方面。目前醫生們主要依賴大型治療加速器開展此類研究。現有的大型加速器耗電量巨大，而激光等離子體加速器可能更經濟。激光閃光也可用來產生短而強的中子脈沖，這對科技發展以及材料分析都具有重要意義。

齊格勒表示，他們希望與其他實驗室合作，更精確地控制加速，未來能夠實現超過200兆電子伏特的質子加速能量。

（2024年5月14日 劉霞 科技日報）

硅芯片上可集成

最小量子光探測器

科技日報2024年5月17日報道，英國布里斯托大學的研究人員在擴展量子技術方面取得了重要突破。他們將世界上最小的量子光探測器集成到硅芯片上。相關研究發表在17日出版的《科學進步》雜志上。

規模化制造高性能電子和光子學硬件是實現下一代先進信息技術的基礎。然而，如果沒有真正可擴展的量子技術硬件制造工藝，量子技術帶來的益處將無法得到完全呈現。

由于構建單臺機器可能需要大量組件，因此能夠大規模制造高性能量子硬件對于量子計算來說至關重要。為了實現這一目標，研究人員展示了一種量子光探測器。它是在一塊電路面積為80微米乘220微米的芯片上實現的。

至關重要的是，小尺寸意味著量子光探測器可以更快，這是解鎖高速量子通信和實現光量子計算機高速運行的關鍵。

研究人員解釋說，這種類型的探測器被稱為零差探測器。它們能在室溫下工作，可用于量子通信、極其靈敏的傳感器（比如最先進的引力波探測器），以及一些量子計算機中。

2021年，該團隊展示了如何將光子芯片與單獨的電子芯片連接起來，以提高量子光探測器的速度。現在，他們使用單一的電子－光子集成芯片，將速度提高了10倍，同時將面積減少到原來的五十分之一。

這些探測器速度快、體積小，同時沒有喪失對量子噪聲的靈敏度，依然能非常精確地測量量子。

研究人員說，下一步，將提高新探測器的效率，并在許多不同的應用中進行測試。

（2024年5月17日 張佳欣 科技日報）

歐洲火星任務擬用镅作為熱源

科技日報2024年5月22日報道，歐洲空間局近日宣布，即將進行的“火星太空生物”火星任務將使用一種開創性的核能源——镅。其反應裝置擬利用镅的放射性衰變產生熱量來保持航天器溫度。這也是航天器首次將镅用于加熱裝置。

利用放射性元素衰變產生熱量的裝置，稱為放射性同位素加熱器單元（RHU）。將RHU安裝在航天器上，可以為航天器的各種部件和儀器提供可靠且持久的熱源，使它們在寒冷的太空中保持溫暖。這對于在外層空間或其他天體等極端寒冷環境下運行的任務尤其重要，在這些極端環境中，電加熱器等傳統加熱方式可能無法運作。

歐洲空間局歷來依賴美國或俄羅斯合作伙伴提供使用钚-238放射性衰變的RHU，但自2009年以來，該機構就在制定計劃，制造放射性同位素加熱器以及電池。歐洲空間局火星探測小組組長奧森·薩瑟蘭指出，這種核加熱裝置能使航天器在火山口等陰影區域或夜間保持溫暖，從而探索更廣泛區域，延長任務壽命。

這次所用的RHU是世界上第一個使用镅-241（钚衰變副產品）的加熱裝置。盡管每克镅-241的功率低于同等質量的钚，但镅-241更豐富、更便宜。這意味著即使RHU需要更多同位素才能運行，其總體成本也可能更低。

制造镅RHU是“使用放射性同位素能量的歐洲設備（ENDURE）項目”的一部分。镅RHU將為著陸平臺中的部件加熱，而著陸平臺會將“羅莎琳德·富蘭克林”號火星車部署到火星表面。火星車配備了2米長的鉆頭，可以在火星表面向下深挖，尋找火星古代生命的痕跡。

（2024年5月22日 劉霞 科技日報）

新型黏合劑可防植入手術

形成疤痕

科技日報2024年5月23日報道，當人體內被植入像起搏器這樣的醫療設備后，通常會引發免疫反應，導致植入物周圍形成疤痕組織。纖維化的疤痕可能會干擾設備的功能。據22日發表在《自然》雜志上的一項研究，美國麻省理工學院工程師找到了一種簡單通用的方法：在設備上涂一層水凝膠黏合劑，就可以避免纖維化，防止設備出現故障。這種方法不僅可用于起搏器，還可用于輸送藥物或進行細胞治療的植入設備。

麻省理工學院研究人員表示，人們希望研發一種讓免疫系統“看不見”的植入設備，同時還不妨礙其治療或診斷功能。現在有了這種“隱形斗篷”，不需要額外藥物，也不需要特殊聚合物材料。

所謂“隱形斗篷”由水凝膠制成，其中的交聯聚合物是聚丙烯酸（一種吸收材料），能快速吸收濕組織中的水分。水被吸收后，嵌在聚丙烯酸中的NHS酯化學基團就會與組織表面的蛋白質形成牢固的鍵。這個過程只需大約5秒。

為測試這種黏合劑的效果，研究人員在一種聚氨酯設備上涂上黏合劑，將其植入大鼠的腹壁、結腸、胃、肺或心臟。幾周后取出這些設備，發現沒有明顯的疤痕組織。用其他動物模型進行的實驗也顯示出同樣效果：無論將涂有黏合劑的設備植入何處，在長達3個月的時間里都沒有發生纖維化。

研究人員用RNA測序和熒光成像分析了動物的免疫反應，發現當第一次植入有黏合涂層的設備時，中性粒細胞等免疫細胞開始滲透到該區域，并發起攻擊。然而在疤痕組織形成之前，免疫系統很快就“停火”了。其他實驗表明，黏合劑和組織之間存在某種機械相互作用，可以阻止免疫系統的攻擊。

（2024年5月23日 張佳欣 科技日報）

“電子蛛絲”可制成

無感傳感器

科技日報2024年5月27日報道，受蜘蛛絲啟發，英國劍橋大學研究人員開發出一種自適應且環保的傳感器制作方法。這種纖維傳感器直徑約為人頭發絲的50分之一，重量極輕。無論是手指或花瓣，都可以直接在其表面無感印刷。這種低能耗、低排放的增強型生物結構新方法，在醫療保健、虛擬現實、電子紡織品以及環境監測等多個領域具有廣泛應用前景。研究結果發表在最新一期《自然·電子》雜志上。

制造可穿戴傳感器的方法有多種，但這些方法都有局限性。受到蜘蛛絲啟發，劍橋大學團隊利用3D打印開發出一種制造高性能生物電子產品的新方法。

研究人員利用PEDOT∶PSS（一種生物相容的導電聚合物）、透明質酸和聚環氧乙烷，紡制出“電子蛛絲”。這種高性能纖維是在室溫下從水基溶液中制造出來的，使研究人員能夠控制纖維的“可紡性”。隨后，他們設計了一種軌道紡絲方法，可將纖維轉移到生物體表面，甚至是微觀結構上。

在包括人類指紋和蒲公英蓬松冠毛種子頭在內的表面上，研究人員進行的生物電子纖維測試表明，“電子蛛絲”提供了高質量傳感器的性能。

與傳統的高分辨率傳感器相比，這些新傳感器可以在任何地方制造，且耗能僅為普通傳感器所需能量的一小部分。當這些可修復的生物電子纖維達到其使用壽命后，只需簡單地清洗，產生的廢物不到一毫克。相比之下，一次洗衣過程可能會產生600至1500毫克的纖維廢物。

（2024年5月27日 張佳欣 科技日報）

新型生物抑菌劑可防治

“植物癌癥”

科技日報2024年5月14日報道，從天津大學獲悉，該校藥學院高文遠教授團隊針對黃芪根腐病研發出一種新型生物抑菌劑。該抑菌劑不僅能抑制有“植物癌癥”之稱的根腐病，還能促進黃芪生長代謝。2024年4月15日，相關成果發表在國際期刊《化學工程雜志》上。

黃芪素有“補藥之長”美譽，被《本草綱目》譽為藥材上品。而由多種致病菌復合侵染引起的根腐病，極大影響了黃芪種植。研究表明，在低洼排水不良的地塊，黃芪根腐病發病率為32％～41％，重病田達55％。

種植抗病品種、使用傳統化學農藥等方法，存在選育周期長、對環境和人體危害大等問題。因此，開發一種環境友好、性價比高的黃芪根腐病生物防治技術，對我國黃芪產業高質量發展具有重大意義。

針對黃芪根腐病問題，作為國家中藥材產業技術體系崗位科學家的高文遠與團隊開發出一種新型生物抑菌劑。該抑菌劑不僅能作為抗真菌劑抑制根腐病，還能促進黃芪生長代謝。機理研究表明，這種新型抑菌劑可通過抑制尖孢鐮刀菌生長基因、刺激黃芪產生抑菌成分、激活黃芪抗性基因等方式發揮抑菌作用，可作為傳統農藥的替代品，在植物保護中具有巨大的應用潛力。

“我們的新型抑菌劑與目前市售農藥效果相當，但成本更低，也更加環保。”團隊主要成員、天津大學藥學院副教授王娟表示，“接下來，我們會進一步優化成本，并計劃與天津大學對口支援的甘肅宕昌縣黃芪基地開展合作，考察示范效果，實現推廣應用。”

（2024年5月14日 陳曦 焦德芳 王欣睿 科技日報）

我國科學家發現銀河系暈里存在巨大磁環

科技日報2024年5月14日報道，從中國科學院國家天文臺獲悉，通過分析銀河系內的脈沖星和銀河系外的射電源相關數據，該臺科研人員發現銀河系暈中有一個巨大的磁環。這為宇宙線粒子傳播、星系氣體動力學和宇宙磁場演化等研究領域提供了至關重要的觀測結果。相關成果10日在線發表于《天體物理學雜志》。

宇宙磁場的起源和演化，是天體物理學中一個長期懸而未決的重大難題。世界各大射電望遠鏡都在發展和提升偏振測量能力，希望解決這一難題。其中的一項重要工作是測量銀河系大尺度磁場結構。

中國科學院國家天文臺研究員韓金林之前曾測量出銀河系盤區存在一個大尺度磁場結構。但銀暈磁環結構的大小和強度一直沒有測出。

此次，科研人員創新性提出，將太陽附近的脈沖星法拉第旋轉率測量值作為本地星際介質的貢獻，從銀河系外射電源法拉第效應的分布數值中扣除，從而得到巨大銀暈的法拉第旋轉效應分布。

韓金林介紹，他們利用收集的相關數據，發現銀暈中的磁環從離銀河系中心6000光年一直延伸到5萬光年，太陽附近局部區域的星際介質也是這個巨大磁環的一部分。

（2024年5月14日 陸成寬 科技日報）

新算法實現人工智能

多模態信息“去偽存真”

科技日報2024年5月18日報道，從西安電子科技大學獲悉，由該校計算機科學與技術學院教授趙偉領銜的智能媒體計算機團隊，通過數據可信重建以及弱監督深度學習框架，破解了數據質量低及標注數據稀缺難題，進一步揭示了神經網絡的決策機制，有效提升了現有可信人工智能方法的魯棒性、可解釋性和安全性。相關論文《可信沖突多模態學習算法》日前獲國際人工智能領域頂級學術會議AAAI 2024杰出論文獎。

人工智能已經日益深入人們生活。在醫療、自動駕駛等復雜場景中，人工智能對決策任務的誤判可能造成重大損失。傳統可信人工智能多關注單模態數據，無法滿足實際場景中多模態數據分析決策需求，單模態數據有限的信息量導致單模態智能可信度存在瓶頸。

為此，團隊打破單模態數據思路，提出沖突多模態學習算法，并通過數據可信重建以及弱監督深度學習框架算法，實現了證據層面的沖突多模態數據可信融合。這能在提升人工智能決策性能的同時，可靠地度量決策置信度。此外，團隊從理論上證明，該方法能夠量化沖突模態帶來的負面影響。這有利于解決當前研究面臨的數據質量低、決策不可信等難題，為后續研究提供了重要的理論基礎和技術支撐。

團隊成員徐偲副教授解釋，這種算法在給出置信度的同時，還會給出多模態數據的沖突度，實現了多模態信息的“去偽存真”。若置信度不高且沖突度較高時，人工智能的決策便明顯不太可信。

（2024年5月18日 史俊斌 科技日報）

“防護衣”保障鋰電池-79℃

低溫環境高效放電

科技日報2024年5月23日報道，從清華大學獲悉，該校化學工程系劉凱課題組摒棄傳統電解液設計方式，研發出電場輔助超分子自組裝層技術。該技術仿佛給鋰電池穿上一個穿脫自如的智能防護衣，有望解決電動車冬季“趴窩”問題。相關研究成果日前發表在國際學術期刊《能源與環境科學》雜志上。

鋰離子電池因壽命長、比容量大、無記憶效應等優點，在市場上有廣泛應用。然而，其在低溫下性能下降的問題一直未能徹底解決，導致冬天手機“凍”關機、電動車“趴窩”等現象時有發生。

論文第一作者、清華大學化學工程系博士后章偉立介紹，當電池需要工作時，“防護衣”會自動套在鋰電池表面，形成一層致密的保護膜，不僅能防止電解液在高電壓下分解，還能加速鋰離子的傳輸，使電池在低溫下也能高效工作。當電池不工作時，“防護衣”又能自動脫下，讓電池恢復到常規狀態。“在‘防護衣’作用下，鋰金屬電池在-79℃的低溫條件下仍可高效放電。”他說。

此外，該技術還將大大提升無人機性能。無人機等電動航空器對電池高比能、高功率和安全性提出了更高要求，特別是在嚴寒低溫環境下飛行時，容易出現電壓驟降、飛行動力不足，甚至墜機等情況。造成這些問題的“罪魁禍首”是電解液。傳統電解液低溫下容易凝固，在電極之間的“穿梭”變得困難，特別是當鋰離子從電解液到電極進行“跳躍”時阻力很大。

“電場輔助超分子自組裝層技術通過在電極表面上‘穿衣’，可以作為跳板，輔助加速鋰離子從電解液到電極的傳遞，從而提升鋰電池在低溫下的續航里程。實驗數據表明，該技術使無人機在-40℃也能高效飛行。”劉凱表示，這一技術突破為寒冷地區的綠色出行和低空經濟發展注入了新動力。

（2024年5月23日 姜靖 科技日報）