科技資訊

利用干細胞造出

新型血管移植物

科技日報3月12日報道，在發表于最新一期《細胞報告醫學》的一項研究中，美國威斯康辛州國家靈長類動物研究中心與威斯康辛大學麥迪遜分校的科學家，展示了一種“通用型生命管道”——利用干細胞來源的動脈內皮細胞（AEC）開發出的新型小直徑血管移植物。這一成果對推進生物工程研究和血管手術領域進步具有重要意義。

血管被稱為人體“生命管道”。當前，合成血管移植物已被廣泛應用于大血管修復，但對于小直徑血管，如用于冠狀動脈搭橋手術的血管，現有選擇非常有限。通常的方法是從患者身體其他部位取用血管，但這不僅侵入性強，還受限于可使用的血管數量及質量，尤其是當患者存在合并癥時。另一種方法是使用來自供體的血管，但這種方法容易引發免疫排斥反應。

為了解決這些問題，科學家采用了一種由ePTFE材料制成的小型移植物，并通過多巴胺和玻連蛋白雙層涂層處理其表面，使干細胞衍生的AEC能夠附著在ePTFE移植物內部。這些細胞具有自我更新能力，能分化成任何類型的人類細胞，從而提供了無限的細胞來源。

科學家將這種生物工程移植物植入恒河猴的股動脈中。恒河猴是常用于模擬人類生物學反應的非人靈長類動物模型。研究比較了3種不同類型的移植物：裸露的ePTFE移植物、襯有表達相容性復合體（MHC）AEC的移植物及襯有缺乏MHC（雙重敲除）AEC的移植物。結果表明，含有野生型AEC的移植物表現出最佳的功能持久性，且在6個月內未出現狹窄或血栓形成等失敗跡象。此外，移植物內皮被宿主細胞重新填充，有助于保持長期穩定。

該成果下一步或將進行人體臨床試驗，而這種移植物可分化成任何人類細胞類型的特性，對人體血管搭橋手術非常重要。

（2025年3月12日 張夢然 科技日報）

首個量子網絡

操作系統創建

科技日報3月13日報道，由荷蘭代爾夫特理工大學、荷蘭量子技術研究所（QuTech）、奧地利因斯布魯克大學、法國國家信息與自動化研究所和法國國家科學研究中心組成的量子互聯網聯盟（QIA）的研究人員宣布了一項重大突破：他們開發了首個專門為量子網絡設計的操作系統——QNodeOS。這項成果發表在最新《自然》雜志上，標志著量子網絡從理論走向實用的重要一步。

QNodeOS的目標是使量子網絡技術更加普及和易于訪問。它讓研究人員能在量子網絡上輕松編程和執行應用程序，并建立了一個框架，這為量子計算機研究開辟了新領域。就像傳統計算硬件上的軟件讓非專業人士也能輕松編程并推動各種應用的發展一樣，QNodeOS通過消除網絡硬件與軟件之間的障礙，使開發者在不同的硬件解決方案上創建應用程序變得更容易。

QNodeOS的一個關鍵特性是其完全可編程性，這意味著應用程序可以像在Windows或Android等傳統操作系統上那樣，在較高的抽象級別上運行。不同于以往需要針對每個實驗設置進行特定編碼的系統，QNodeOS能夠支持在網絡中操作量子處理器，而不論使用的是何種硬件平臺。這種創新架構讓開發者能夠專注于應用程序的邏輯實現，而非硬件細節，從而更容易開發出新型應用程序。

此外，量子網絡應用通常需要在不同節點上獨立運行的程序相互協調工作，例如手機客戶端和云端服務器之間的協作，這些都需要通過消息傳遞和量子糾纏來完成。QNodeOS成功解決了這一獨特挑戰，展示了其與多種類型的量子硬件兼容的能力，包括基于捕獲離子和鉆石色心的不同量子處理器。

QNodeOS的誕生不僅促進了量子網絡技術的發展，也為未來的互聯網變革鋪平了道路，有望徹底改變人們對互聯網的理解和使用方式。

（2025年3月13日 張夢然 科技日報）

新型手性

有機半導體面世

科技日報3月16日報道，來自英國劍橋大學和荷蘭埃因霍芬理工大學等機構的科學家，研制出一種新型手性有機半導體。這種半導體能讓電子以螺旋方式移動，極大提高有機發光二極管的性能，為電視、智能手機等帶來更好的顯示屏。此外，還有望推動自旋電子學和量子計算等下一代計算技術的發展。相關論文發表于13日出版的《科學》雜志。

這種新型半導體能夠發射圓偏振光，這意味著光攜帶有關電子手性的信息。在自然界中，許多分子都擁有手性特征，即表現出類似左手和右手這樣宛如彼此鏡像的結構。手性在DNA形成等生物過程中扮演重要角色，但在電子學領域卻很難駕馭和掌控。因為大多數無機半導體，如硅，其內部結構具有對稱性。

研究團隊從大自然中汲取靈感，巧妙運用分子設計策略，讓半導體分子有序地堆疊成右旋或左旋螺旋結構，從而制造出這種手性半導體。精心設計分子的結構，首次實現了結構的手性與電子運動的完美結合。

該半導體基于三氮雜釕（TAT）材料，這種材料能自組裝成螺旋堆疊形式，從而使電子能沿其結構螺旋行進。團隊將其整合到圓偏振有機發光二極管（OLED）內，這些設備顯示出破紀錄的效率、亮度及偏振水平，性能遠超同類產品。

手性半導體有望在顯示技術領域大顯身手。當前顯示器屏幕由于過濾光線的方式，存在大量能源浪費，而這種手性半導體則能有效減少光損失，讓屏幕更加明亮且節能。除應用于顯示器外，還將對量子計算和自旋電子學產生影響。自旋電子學致力于探索利用電子自旋或固有角動量來存儲和處理信息，這一領域有望帶來更快、更安全的計算系統。

（2025年3月16日 劉霞 科技日報）

首款太赫茲頻段

光電調制器面世

科技日報3月17日報道，瑞士蘇黎世聯邦理工學院等機構的科學家，成功研制出首款能在太赫茲頻段工作的調制器。太赫茲技術是6G演進的關鍵技術之一，這款微型設備有望促進6G技術的發展。相關研究論文發表于新一期《光學》雜志。

等離子體調制器是將電信號轉換為光信號的設備，此前最多只能轉換約200千MHz頻率的信號。盡管從技術層面而言，將太赫茲信號傳輸到光纖上并非不可能，但這一過程不僅耗時，而且需要多個昂貴的組件協同工作。而新型調制器可直接轉換信號，降低能耗，其應用范圍涵蓋10 MHz到1.14 THz。

新型調制器具有微型納米結構，由金等各種材料精心打造而成。它巧妙利用光和金中自由電子之間的相互作用，實現了信號轉換。

研究團隊表示，數據最初總是以電子形式存在，但目前信息的傳輸經常要使用光纖。新型調制器能將無線電信號和其他電信號直接有效地轉換為光信號，有望成為電子世界和光傳輸之間的橋梁，用于需要傳輸大量數據的地方。

研究團隊強調，這款調制器有望應用于高性能計算中心內部和之間的光纖數據傳輸，或在高性能測量領域大顯身手，這些領域包括醫學成像、材料分析光譜方法、機場安檢掃描儀或雷達技術等。

（2025年3月17日 劉霞 科技日報）

光子芯片放大器傳輸數據

帶寬提升3倍

科技日報3月18日報道，瑞士洛桑聯邦理工學院與IBM歐洲研究院聯合研發團隊在新一期《自然》雜志發表論文稱，他們研制出一款基于光子芯片的行波參量放大器，通過緊湊結構實現了超帶寬信號放大。

現代通信網絡依靠光信號傳輸海量數據。然而，這些光信號需要經過放大，才能在長距離傳輸中不丟失信息。數十年來，摻鉺光纖放大器作為最常用的工具，在這方面發揮著關鍵作用。它無需頻繁重新生成信號，就能將信號傳輸至更遠的地點。然而，摻鉺光纖放大器的工作帶寬僅限于C波段（約35 nm），這限制了光網絡的擴展能力。

新研制的這款放大器采用了將磷化鎵沉積在二氧化硅上的技術。磷化鎵是一種具有優異光學特性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料。大多數放大器依賴稀土元素來增強信號，而研究團隊選擇磷化鎵是因為其出色的光學特性。首先，它表現出強烈的光學非線性，使通過其中的光波能以增強信號強度的方式相互作用。其次，它的折射率高，可將光緊密限制在波導內，顯著提高放大效率。基于這些特性，研究團隊僅使用幾厘米長的波導就實現了高增益，使放大器的體積大幅縮小，且所有功能都集成在一個緊湊的芯片級設備中。

實驗結果表明，這款芯片級放大器在約140 nm的帶寬范圍內實現了超過10 dB的凈增益，是傳統摻鉺光纖放大器帶寬的3倍。此外，該器件在保持較低噪聲的同時，增益可達35 dB，并能處理輸入功率范圍跨越6個數量級的信號。這些特性使該放大器在電信之外的各種應用中具有高度適應性，例如精密傳感。

此外，這款放大器還提升了光學頻率梳和相干通信信號的性能，這兩項技術是現代光網絡和光子學的關鍵技術。

新型放大器對數據中心、人工智能處理器和高性能計算系統具有深遠影響，更快、更高效的數據傳輸使這些系統都能獲益。此外，它的應用范圍還擴展到數據傳輸之外，包括光學傳感、計量學，甚至自動駕駛汽車中使用的激光雷達系統。

（2025年3月18日 張佳欣 科技日報）

科學家觀察到DNA

開始解旋瞬間

科技日報3月20日報道，阿卜杜拉國王科技大學的一項開創性研究首次直接觀察到了DNA開始解旋的瞬間，揭示了使細胞能夠準確復制其遺傳物質的基本機制。這項研究使用冷凍電子顯微鏡和深度學習技術，捕捉到解旋酶與DNA相互作用的精微細節，提供了迄今為止最詳盡的DNA解旋過程。相關論文發表在最新一期《自然》雜志上。

盡管科學家早已知道，解旋酶在DNA復制過程中起著關鍵作用，但對其如何與DNA和ATP（三磷酸腺苷）協同工作，驅動DNA解旋的具體機制一直不清楚。此次研究表明，解旋酶通過15個原子狀態，逐步解開DNA雙螺旋結構。這一過程不僅標志著解旋酶研究的里程碑，也是在原子分辨率下觀察酶動態行為的重大突破。

DNA復制的第一步，是解旋酶將雙鏈DNA拆分為兩條單鏈，這一步驟對于后續復制至關重要。解旋酶作為“納米機器”，利用ATP作為能量來源，沿著DNA移動并解開雙螺旋。隨著ATP被消耗，解旋酶克服物理限制向前推進，逐漸增加系統的熵（無序度），從而實現DNA的分離。

特別值得注意的是，解旋酶并非一次性完全解開DNA，而是通過一系列構象變化逐步破壞和分離DNA鏈。這種機制類似于捕鼠器中的彈簧，每當ATP被水解時，解旋酶就被推向前進，拉開DNA鏈。研究還發現，兩個解旋酶可以在DNA上的不同位置同時工作，協調地在兩個方向上解開DNA，提高了能量效率。

這些發現不僅增進了人們對生命基本科學問題的理解，也為開發新型納米技術提供了靈感。基于解旋酶設計的節能機械系統，可以模仿其高效能機制，用于執行復雜的驅動任務。

（2025年3月20日 張夢然 科技日報）