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聲波諧振器實現聲子間

高保真量子糾纏

科技日報2025年2月11日報道，雖然量子糾纏現象已在微觀粒子中得到證實，但在日常物體之間卻很難看到。美國芝加哥大學研究團隊成功展示了兩個聲波諧振器之間的高保真糾纏，標志著量子聲學領域的重大進展。相關論文發表在10日的《自然·通訊》雜志上。

之前研究已證明，可將非常小的物體糾纏在一起，如在單個電子間實現糾纏。但現在，芝加哥大學研究團隊利用聲波諧振器實現了更大尺度上的糾纏。這里的糾纏并非發生在構成諧振器的分子、原子或其他粒子之間，而是發生在諧振器產生的“聲子”之間。

聲子是納米級的機械振動，可被視為是一種聲音。研究人員解釋說，聲子是構成聲音的最小量子單元。聲子不是基本粒子，而可能是數萬億個粒子共同運動的集體表現。與單個電子、單個原子、單個光子的量子糾纏系統相比，這是宏觀的。

傳統上，量子力學適用于微觀尺度的物理現象，經典物理學則適用于人類日常經驗尺度。然而，通過實現大規模物體集體運動的量子糾纏，這一界限正在被拓展。隨著技術進步，薛定諤提出的“貓態”（即量子疊加態）存在的范圍也在逐漸擴大。

研究團隊開發了一種裝置，核心組件為兩個表面聲波諧振器。它們各自位于獨立的芯片上，并配有相應的機械支撐結構。每個諧振器均與一個超導量子比特相連，這些量子比特用于生成并檢測聲子的糾纏態。利用此裝置，研究團隊證實，在保持物理分離的同時，大型諧振器仍能以高保真度實現量子糾纏。

研究人員表示，盡管之前已有實驗證明了糾纏現象的存在，但這些實驗的保真度有限。而本研究展示了一種能力，即能制造出更為復雜的糾纏態，未來有望將邏輯編碼加入其中。

（2025年2月11日 科技日報 張佳欣）

太字節數據“塞進”

毫米級存儲器

科技日報2025年2月19日報道，美國芝加哥大學研究人員開發出一種創新性的存儲技術，利用晶體內的單原子缺陷來表示數據存儲中的二進制數“1”和“0”，將幾個太字節（TB）的數據存儲在邊長僅為1毫米大小的晶體立方體中。相關論文發表在最新一期《納米光子學》雜志上。

歷史上，用于表示二進制數據“1”和“0”的物理載體（如打孔卡片、真空管、晶體管等）的尺寸，限制了設備可存儲的信息量。此次，研究人員利用晶體結構中缺失的原子，在不超過1毫米的空間中存儲了數兆字節數據。

這種存儲技術將稀土元素（也稱為鑭系元素）融入晶體中，研究人員特別使用了鐠和氧化釔晶體。這些晶體中存在固有缺陷，如晶格中缺少單個氧原子，留下空隙。晶體缺陷在量子研究中通常用于創建“量子比特”。

研究人員解釋說，稀土元素表現出特定的電子躍遷，可選擇精確的激光激發波長進行光學控制，范圍從紫外線到近紅外區域。激光激發鑭系元素，使其釋放電子，這些電子被氧化晶體中的缺陷捕獲。

研究人員可控制哪些缺陷帶電，哪些不帶電，將帶電間隙指定為“1”，不帶電間隙指定為“0”，從而將晶體轉變為一種高效存儲設備，超越以往傳統計算的限制，實現了極高的數據存儲密度。

與通常由X射線或伽馬射線激活的劑量計不同，這種存儲設備可由簡單的紫外線激光觸發。

研究人員認為，這項技術展示了一種跨學科方法，即應用量子技術改造經典的非量子計算機。它將最初專注于輻射劑量計的研究，重新用于革命性的微電子存儲器。這項技術突破了數據存儲的限制，為傳統計算機帶來新的超緊湊、大容量存儲解決方案。

（2025年2月19日 科技日報 張佳欣）

全3D打印電噴霧發動機問世

科技日報2025年2月19日報道， 美國麻省理工學院團隊近期展示了一款完全采用3D打印技術制造的電噴霧發動機，能通過發射液滴來推進。這款創新設備不僅生產迅速，而且成本遠低于傳統推進器，它利用市場上可購買到的3D打印材料和技術，甚至可以在太空中完成打印。相關論文11日在線發表于《先進科學》雜志上。

電噴霧發動機的工作原理是對導電液體施加電場，從而產生高速微小液滴射流以推動航天器。這種微型發動機特別適用于小型衛星，如立方體衛星。相較于化學燃料火箭，電噴霧發動機在推進劑使用上更為高效，因此更適合執行精確的軌道內機動任務。盡管其產生的推力較小，但通過并聯多個電噴霧發射器可以達到所需的推力水平。

團隊此次開發了一種結合兩種3D打印方法的模塊化工藝，解決了制造由宏觀和微觀組件構成的復雜設備時遇到的難題。他們采用還原光聚合打?。╒PP）技術，包括數字光處理技術，通過芯片大小的投影儀將光線照射到光敏樹脂上，逐層固化形成高分辨率的3D結構。此外，他們還設計了一種夾緊機制來連接各個部件，保證了設備的水密性。這使得宇航員能夠在太空中直接打印衛星發動機，無須依賴從地球發送的設備。

打印出的推進器包含32個電噴霧發射器，這些發射器協同工作，確保推進劑噴流穩定均勻。最終的原型設備在推力性能上與現有設備相當，甚至更優。

進一步研究顯示，通過調整推進劑的壓力，調節施加于發動機上的電壓，可以控制液滴流量，實現更寬范圍的推力輸出。

研究人員表示，這種方法簡化了系統設計，減少了復雜管道、閥門或壓力信號網絡，提供了一種更加輕便、經濟且高效的電噴霧推進解決方案。

3D打印出來的電噴霧發動機，幾乎可以標志著航天推進技術的一次重要突破。因為擁有快速生產和定制化的能力，在太空任務中能根據具體需求迅速調整設計，極大提升了執行靈活性和響應速度。特別是在緊急維修或需要快速部署新衛星的情況下，這種即時生產能力顯得尤為重要。而能在太空中直接制造發動機，意味著未來的太空任務將不再完全依賴從地球發送的設備，而是在軌道上就能自我修復和升級。因此說，這一創新不僅顯著降低了生產成本和時間，還為未來太空探索帶來更靈活、高效的解決方案。

（2025年2月19日 科技日報 張夢然）

錫納米顆粒催化劑

可高效轉化CO2

科技日報2025年2月11日報道，來自英國諾丁漢大學和伯明翰大學的合作團隊研發出一種可持續催化劑。這種催化劑在使用過程中活性會增強，能將二氧化碳（CO2）轉化為高價值產品。這一成果為設計下一代電催化劑提供了新途徑。相關論文發表在10日的《ACS應用能源材料》期刊上。

CO2是全球變暖的主要推手。將CO2轉化為有用產品的傳統方法通常依賴化石燃料制氫，而電催化方法利用可持續能源（如光伏和風能）和豐富的水。

該催化劑以具有納米紋理結構的碳為載體，支撐錫微粒。在電催化過程中，對催化劑施加電壓會驅動電子穿過材料，與CO2和水發生反應，從而產生有價值的化合物。其中一種產物就是甲酸鹽，它廣泛用于合成聚合物、藥品、黏合劑等化學產品。為了獲得最佳效率，該過程必須在低電勢下運行，同時保持高電流密度和高選擇性，以確保有效利用電子將CO2轉化為所需產品。

研究人員測量了反應過程中CO2分子所消耗的電流，以評估催化劑性能。通常，催化劑在使用過程中會降解，導致活性降低。然而他們發現，在碳納米結構上，錫微粒的電流在48小時內持續增加，幾乎所有電子用于將CO2還原為甲酸鹽，生產率提高了3.6倍，同時保持了近100%的選擇性。

研究人員認為，這是由于錫被分解成小至3納米的顆粒。錫微粒與石墨化碳納米纖維之間存在相互作用，在電子從碳電極轉移到CO2分子中起到了關鍵作用，這是在外加電勢下將CO2轉化為甲酸鹽的關鍵步驟。電子顯微鏡觀察結果表明，更小的錫微粒與電極的納米紋理碳實現了更好的接觸，從而改善了電子傳輸，并將活性錫中心的數量增加了近10倍。

這些發現為設計電催化載體開辟了新途徑，通過精確控制催化劑與載體在納米尺度上的相互作用，大大提高了將CO2轉化為高價值產品的選擇性和穩定性。

（2025年2月11日 科技日報 張佳欣）

高熵高溫熱敏陶瓷材料

研發成功

科技日報2025年2月18日報道，記者從中國科學院新疆理化技術研究所獲悉，該所科研團隊成功開發出具有褐釔鈮礦結構的稀土鈮酸鹽高熵熱敏陶瓷材料，成功突破了寬溫域高精度傳感關鍵技術，為新型極端環境熱敏陶瓷材料的設計合成提供了理論指導。相關研究成果1月29日在線發表于國際期刊《微尺度》上。

記者了解到，科研人員創新性地提出熵工程協同異價取代策略，通過多元稀土離子A位引入導致的熵穩定效應與Sr2+異價摻雜的協同作用，顯著提升了氧空位濃度，進而優化了材料的電子傳輸特性和晶格穩定性。研究表明，氧空位誘導的熵穩定機制可同步調控材料微結構，形成孿晶疇、晶格畸變與動態重構等穩定特征，有效強化了溫度—電阻響應的線性度及高溫服役穩定性。

通過該策略制備的高熵熱敏陶瓷材料展現出優異的環境適應性，兼顧晶格穩定性與載流子傳輸效率。該材料可用于223—1423 K寬溫區，且兼具高的熱穩定性（1000小時后老化漂移率lt;1%）和電阻溫度系數（1423 K條件下系數為0.223 %/K），可滿足航空航天發動機狀態監測及新能源汽車熱管理系統等高溫極端環境下的應用需求。

（2025年2月18日 科技日報 梁樂）

新型鉍基納米材料

有望用于癌癥治療

科技日報2025年2月11日報道，記者近日從上海理工大學獲悉，上海市胸科醫院與上海理工大學聯合團隊研發出一款新型鉍基納米材料，通過超聲波觸發腫瘤內部水分解，直接產生氫氣和氧氣，激活自身免疫能力，實現高效抗癌。該成果為深部腫瘤治療提供了全新思路，相關研究2月8日在線發表于國際學術期刊《先進科學》。

鉍是一種重金屬元素，其化合物（如枸櫞酸鉍鉀）早已用于胃藥和醫學影像造影劑。近年來，科學家發現鉍基納米材料具有低毒性、高穩定性和催化活性，開始探索其在生物醫藥領域的應用。如將鉍基材料用于光熱治療腫瘤、藥物靶向遞送等。

針對腫瘤的傳統放療、化療副作用大且易復發，氫氣療法雖能抑制腫瘤代謝，卻又難以深入病灶。該研究負責人、上海理工大學材料與化學學院副教授李鈺皓介紹，此前關于鉍基納米材料的醫學研究多聚焦單一治療模式，此次研究將鉍基材料與超聲催化產氫氧氣技術結合，提出“超聲催化水分解”策略：利用超聲波強穿透性，驅動納米材料在腫瘤內分解水分子，原位產生氫氣和氧氣，從而實現“產氣治療+免疫激活”的雙重突破。

新型鉍基納米材料由氟化鉍、多金屬氧酸鹽和碳化鉬組成，其獨特的三元結構大幅提升了電荷分離效率。實驗表明，超聲波作用下，材料產氫效率比傳統催化劑提高約30%。氫氣可破壞癌細胞線粒體功能，阻斷能量供應；氧氣則緩解腫瘤缺氧，逆轉免疫抑制環境。此外，氟化鉍還能消耗腫瘤內的關鍵抗氧化物質谷胱甘肽，加劇癌細胞氧化損傷，形成“三重打擊”。

該材料在小鼠實驗中展現出良好生物相容性，主要器官未見毒性損傷。李鈺皓表示：“這種材料不僅能精準釋放治療氣體，還可激活免疫細胞，未來有望與化療、免疫藥物聯用，提升實體瘤治療效果?！?/p>

此項研究得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金等項目支持。接下來，團隊計劃進一步優化材料靶向性，并探索其在對氫敏感的缺氧性疾病中的應用潛力。

（2025年2月11日 科技日報 管晶晶）

用AI從頭“定制”可介導

多步反應的酶

中國科學報2025年2月16日報道，憑借在計算蛋白質設計方面的貢獻，斬獲2024年諾貝爾化學獎的美國華盛頓大學教授David Baker帶領團隊再獲新突破。其與合作者利用人工智能（AI）從頭設計出具有天然酶關鍵特征，即可介導多步反應的全新的酶。該酶能夠加速一個對許多生物和工業過程（如塑料降解回收）至關重要的四步化學反應。相關研究2月13日發表于《科學》。

“這是酶工程領域的一個里程碑。”美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的合成生物學家趙惠民說，“這表明，我們現在有可能設計出有實際用途的天然活性酶。”

酶是一種高效生物催化劑，科學家一直在探索如何更好地利用它加速所需的化學反應。早期的相關研究主要通過對已有的酶的結構進行調整，來創造催化速率更高或具有不同功能的新酶。但這種方法很難創造出能夠介導多步反應的高效酶?！斑@就像去二手店買西裝，可能不太合身一樣?！闭撐暮现?、華盛頓大學的蛋白質設計師Anna Lauko說。

隨著科學技術發展，AI走進了研究人員的視野，他們開始嘗試利用AI從頭設計酶，但成效并不顯著。該方法設計出的酶同樣無法像天然酶那樣催化多步反應，往往反應第一步后就停止了。

為了破解上述難題，Baker、Lauko等人將多種機器學習方法結合起來。他們首先從名為RFdiffusion的AI工具開始。這是Baker團隊于2022年推出的基于擴散模型的蛋白質設計工具，它可以從頭生成新的酶結構。然后，他們創建了一個名為PLACER的深度神經網絡，通過模擬酶中原子的位置及其在反應的每個步驟中結合的分子來改進結構設計。這時AI就像一個過濾器，在不斷檢查酶的活性位點，即與分子相互作用的部分是否兼容、是否正確排列以執行每一步反應。在趙惠民看來，這是非常具有創新性的。

Lauko說，將這些AI工具結合使用有助于“獲得完美合身的定制西裝”。他們最終利用AI從頭設計出了一種新的具有復雜活性位點的絲氨酸水解酶，其在加速反應方面比以前設計的以類似方式工作的酶強6萬倍。

“我們可以嘗試利用該技術設計一種絲氨酸水解酶來分解塑料。”Lauko說。

不過，研究人員強調，他們此次發表的研究只是原理證明。盡管新的酶前景廣闊，但它沒有天然絲氨酸水解酶那么有效。他們希望對該酶的結構進行更多微調以提高其催化速度和效率，使該技術離現實應用更進一步。

（2025年2月16日 中國科學報 許悅）

新法高效回收鈣鈦礦

太陽能電池

科技日報2025年2月12日報道，據最新一期《自然》雜志報道，瑞典林雪平大學研究人員開發出一種回收鈣鈦礦太陽能電池的新方法，其回收過程中使用的主要溶劑是水，無需使用對環境有害的溶劑。不僅能將電池所有部件反復回收利用，而且回收后的電池效率與原始電池相當。

未來幾年，電力使用量或將大幅增加。為減少對氣候的影響，需要多種可持續能源協同工作。太陽能作為一種可再生能源，擁有巨大的潛力。其中，鈣鈦礦太陽能電池是下一代太陽能電池中最有前景的技術之一。它們相對便宜、易于制造，而且輕便、靈活、透明。由于這些特性，鈣鈦礦太陽能電池可以布置在屋頂、玻璃窗等多種不同表面上。此外，它們可將多達25%的太陽能轉化為電能，可與當今的硅太陽能電池相媲美。

不過，鈣鈦礦太陽能電池目前的壽命短于硅太陽能電池，因此，高效且環保的鈣鈦礦太陽能電池回收技術至關重要。此外，鈣鈦礦太陽能電池還含有少量鉛，這是實現高效率所必需的，但也對回收流程的有效運行提出了更高要求。

目前拆解鈣鈦礦太陽能電池的方法，主要是用一種名為二甲基甲酰胺的物質，它是油漆溶劑的常見成分。二甲基甲酰胺有毒，對環境有害且可能致癌。

林雪平大學研究人員此次開發的新方法，以水作為拆解鈣鈦礦的溶劑，能從水溶液中回收高質量的鈣鈦礦。

研究人員表示，他們可以回收所有部件，包括蓋板、電極、鈣鈦礦層以及電荷傳輸層。

下一步，他們計劃繼續研究該方法，推動其在工業流程中更大規模地應用。

（2025年2月12日 科技日報 張佳欣）