清華大學團隊在納米結(jié)構(gòu)表面實現(xiàn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)超滑

近日，清華大學微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士團隊在結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要進展，該研究采用巧妙的試驗設(shè)計，通過在轉(zhuǎn)移至納米結(jié)構(gòu)表面上的單晶石墨片中心施加集中力，實現(xiàn)石墨片邊緣的翹曲，消除石墨片邊緣與基板之間的強相互作用，進而在大氣環(huán)境下實現(xiàn)了微米級石墨薄片和納米結(jié)構(gòu)硅表面之間穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)。研究不僅挑戰(zhàn)了摩擦學和結(jié)構(gòu)超滑的傳統(tǒng)理解，即較粗糙的表面會導致更高的摩擦并導致磨損，而且還證明了具有單晶表面的石墨片在無邊緣接觸的條件下，可與任何非范德瓦爾斯材料實現(xiàn)穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)。此外，該研究提供了一種通用的表面改性方法，推動結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)在大氣環(huán)境中得以廣泛應用。

摩擦和磨損是自然界耦合在一起的兩種基本物理現(xiàn)象，在機械系統(tǒng)中造成了巨大的能源浪費、環(huán)境污染和部件故障，導致一大批關(guān)鍵技術(shù)難以攻克。而在微觀世界中，基于尺度效應，界面摩擦和磨損將成為與其他效應相比最重要的問題之一，從而導致器件極其容易失效，可靠性低，難以走向批量化應用。雖然有機油等液體潤滑劑在實際應用中對摩擦磨損有很大的抑制作用，但在強約束和極端外部條件下，液體潤滑將會失效。并且，基于液體內(nèi)部剪切的潤滑由于在納米尺度上黏度會大大增加，也會導致失效，這將很難應用于微觀場景。因此，解決上述問題需要一種從本質(zhì)物理特性上減少摩擦、消除磨損的有效技術(shù)，而不是引入其他間接物質(zhì)作為摩擦副。

結(jié)構(gòu)超滑指兩個完全接觸的固體表面在滑動過程中，保持摩擦力幾乎為0和零磨損的狀態(tài)，為上述挑戰(zhàn)提供了一種顛覆性的解決方案。2012 年鄭泉水院士團隊第一次在大氣環(huán)境中以每秒量級的速度實現(xiàn)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑，開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)。隨后，團隊對高速結(jié)構(gòu)超滑（達到293）的探索進一步激發(fā)了學術(shù)研究領(lǐng)域和實際應用領(lǐng)域的廣泛興趣。這些應用包括基于結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的超級微發(fā)電機和電致彈簧諧振器，展示了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的多種潛力。在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府資助下，鄭泉水院士團隊建立了全球第一個結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究機構(gòu)——深圳清華大學研究院超滑技術(shù)研究所。

該研究以Robust microscale structural superlubricity between graphite and nanostructured surface為題，在線發(fā)表于Nature Communications。

左圖為超滑石墨片和兩種硅表面的摩擦力測量。

（本刊記者 良辰）

國家納米中心等在微納制造方法研究中獲進展

隨著各種新型器件和結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，常規(guī)的微納加工方法已無法完全滿足需要，激發(fā)了人們探索更高性價比、更強加工能力的非常規(guī)加工方法。中國科學院國家納米科學中心劉前團隊基于自主開發(fā)的新概念激光直寫設(shè)備，開發(fā)出多種非常規(guī)加工方法。近日，該團隊在物理不可復制功能（PUF）防偽標簽研究中取得新進展。相關(guān)研究成果以Random fractal-enabled physical unclonable functions with dynamic AI authentication為題，在線發(fā)表在Nature Communications上。

當前，傳統(tǒng)防偽標簽因其確定性的構(gòu)筑模式在自身安全性上面臨挑戰(zhàn)。PUF 標識本征的唯一性和不可預測性可作為商品的“指紋”秘鑰，從根本上遏制標簽自身被偽造的可能。

此外，這種PUF 制作與微電子工藝流程高度兼容，有望與元器件同時集成并完成元件單元的真實性驗證。

該工作由國家納米中心、北京航空航天大學和德國卡爾斯魯厄理工學院合作完成。下圖為PUF的制作流程及表征。

（本刊記者 良辰）

中國科大等實現(xiàn)超越海森堡極限精度的量子精密測量

中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊在量子精密測量的研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、陳耕等與香港大學合作，利用量子不確定因果序?qū)崿F(xiàn)了超越海森堡極限精度的量子精密測量。2023 年5 月1 日，相 關(guān)研究成果以Experimental super-Heisenberg quantum metrology with indefinite gate order為題，發(fā)表在《自然·物理》上。

近年來，學術(shù)界提出了一種新的量子結(jié)構(gòu)即量子不確定因果序。量子力學的疊加原理允許不同量子本征態(tài)之間的疊加，并允許兩個事件處于兩個相反時序的量子疊加上。這一新型的量子資源已被證實可以在特定的量子計算和量子通信任務(wù)中提供優(yōu)勢，而此前工作均基于離散變量體系，未直接應用于量子精密測量任務(wù)中。

李傳鋒、陳耕等設(shè)計了一種全新的雜化（hybrid）量子裝置，即用一個離散量子比特控制光子兩組連續(xù)變量的演化時序，試驗實現(xiàn)了不確定因果序，從而實現(xiàn)了對演化產(chǎn)生的幾何相位的超海森堡極限的精密測量，即測量的不確定度反比于獨立演化過程的次數(shù)的平方。試驗結(jié)果表明，這一新方法在試驗演示的范圍內(nèi)獲得了對確定因果序方法理論上的最高測量精度，即海森堡極限的絕對優(yōu)勢，試驗結(jié)果逼近了理論上的超海森堡極限。

該試驗使用單個光子作為探針，不存在光子間的相互作用，且單次測量所需要的能量不超過單個光子的能量，從而實現(xiàn)了首個在規(guī)范化資源定義下超越海森堡極限的試驗工作。試驗實現(xiàn)的相對于確定因果序方法的提升可以直接轉(zhuǎn)化為在實際測量任務(wù)中的現(xiàn)實優(yōu)勢。

（本刊記者 良辰）

哈工大團隊揭示高速沖擊下二維共價有機框架的力學響應機制

近日，哈工大航天學院赫曉東、王超教授團隊從理論上揭示了共價有機框架材料在極端動力學加載條件下的力學行為與失效機制，從根本上闡釋高速沖擊過程其能量耗散機制，為新一代輕質(zhì)高強沖擊防護材料的設(shè)計與開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以Multiple impactresistant 2D covalentorganic framework為題發(fā)表在Nano Letters上。

二維共價有機框架（COF）作為一類新興的長程有序的晶態(tài)有機聚合物，具有輕質(zhì)、高強、永久開放的孔道結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)功能可設(shè)計性等優(yōu)勢，在催化、能量儲存、氣體吸附、藥物輸送、傳感器和光電器件等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。然而，目前對其高速沖擊下力學響應機制的研究鮮有報道，這對于新一代納米沖擊防護材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應用至關(guān)重要。

針對這一難題，赫曉東、王超教授團隊利用大尺度分子動力學方法，探索了在高速沖擊下二維共價有機框架的力學行為與失效機制。該研究從原子尺度觀察到二維共價有機框架結(jié)構(gòu)的超大變形能力，以及局部聚合物鏈結(jié)構(gòu)獨特的扭轉(zhuǎn)耗能機制，能顯著促進沖擊動能耗散。同時，研究發(fā)現(xiàn)二維共價有機框架的比穿透能遠高于鋼、凱夫拉等傳統(tǒng)抗沖擊材料，可變形的納米框架結(jié)構(gòu)能有效地抑制裂紋的擴展，相比于石墨烯等脆性高強度材料，其缺陷不敏感性極大提升了二維共價有機框架抵抗多次沖擊時的可靠性，這對于沖擊防護材料的安全性與重復利用具有重要的現(xiàn)實意義，為下一代抗沖擊高性能聚合物的設(shè)計開發(fā)提供了新思路。

上圖為二維共價有機框架抗沖擊示意圖。

（本刊記者 良辰）

上海光機所在特殊波長的飛秒超快光纖激光器研制方面獲進展

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率光纖激光技術(shù)實驗室在特殊波長的飛秒超快光纖激光器研制方向取得重要進展。該團隊首次報道了一種基于色散管理、全保偏九字腔的978 nm 飛秒摻鐿光纖激光器。相關(guān)研究成果以Generation of 978 nm dispersionmanaged solitons from a polarization-maintaining Yb-doped figure-of-9 fiber laser為題，發(fā)表在Optics Letters上。

978 nm 摻鐿飛秒鎖模光纖激光器因獨特的應用價值而備受關(guān)注。然而，由于Yb3+在978 nm 波長附近的吸收截面近似等于發(fā)射截面，為了在這個波長獲得高性能激光輸出，必須克服978 nm 處的激光自吸收和1030 nm 附近的放大自發(fā)輻射（ASE）等問題。此外，Yb3+在978 nm 附近的增益帶寬相對較窄，這進一步增加了在該波長下獲得飛秒激光脈沖的難度。因此，與1 μm以上的傳統(tǒng)摻鐿鎖模光纖激光器相比，實現(xiàn)這種978 nm 的飛秒光纖激光器面臨著更大挑戰(zhàn)。

針對上述問題，研究團隊采用基于九字腔結(jié)構(gòu)的非線性放大環(huán)鏡（NALM）技術(shù)實現(xiàn)了978 nm 處色散管理孤子的穩(wěn)定輸出。試驗中，通過控制激光腔內(nèi)各色散元件的參數(shù)有效地管理了腔內(nèi)總色散，并引入濾波器來抑制1030 nm 的ASE，最終獲得了具有14.4 nm 光譜帶寬和175 fs 的高相干激光脈沖。此外，激光腔由全保偏光纖器件組成，能夠有效抗溫度、振動等環(huán)境擾動，確保了鎖模脈沖的長期穩(wěn)定性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，978 nm 色散管理孤子的光譜寬度主要受限于Yb3+在相關(guān)波長附近的增益帶寬。未來，可以利用非線性效應在腔外進一步展寬光譜，從而在這個特殊波長實現(xiàn)更窄脈寬的激光輸出。該研究實現(xiàn)的978 nm 鎖模脈沖是迄今為止報道的相關(guān)波長超快光纖激光器中能夠輸出的最短脈沖，在水下通信和太赫茲波產(chǎn)生等領(lǐng)域具有良好的應用前景。

左圖為978 nm九字腔色散管理孤子光纖激光器試驗裝置圖。

（本刊記者 良辰）

中科院理化所在飛秒激光直寫雙刺激協(xié)同響應的水凝膠微致動器研究方面取得進展

目前，微加工技術(shù)已經(jīng)將響應型水凝膠致動器的尺寸縮小到微米級。然而，如何在微尺度下構(gòu)建能夠?qū)碗s的微環(huán)境進行多重響應的水凝膠微致動器仍然是一個挑戰(zhàn)。

近日，中國科學院理化技術(shù)研究所研究員鄭美玲團隊在雙刺激協(xié)同響應的水凝膠微致動器的研究工作中取得進展。團隊通過非對稱飛秒激光直寫加工制備了一種雙刺激協(xié)同響應的水凝膠微致動器。該水凝膠微結(jié)構(gòu)對pH/溫度的雙重協(xié)同響應是通過添加功能單體2-（二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯實現(xiàn)的。通過水凝膠微結(jié)構(gòu)的拉曼光譜分析，解釋了不同pH 和溫度下協(xié)同響應的產(chǎn)生機制，并且展示了由pH 或溫度控制的聚苯乙烯微球的捕獲。該研究為設(shè)計和制造可控的微尺度致動器提供了一種策略，并在微機器人和微流體中具有應用前景。研究成果發(fā)表于Small。

飛秒激光直寫加工技術(shù)由于具有超高的空間分辨率、三維加工能力和無須實體掩膜等特點，被用于制備各種三維微結(jié)構(gòu)。研究人員利用含有功能單體的光刻膠，通過調(diào)整激光功率、掃描速度和掃描策略實現(xiàn)了具有不對稱交聯(lián)密度的雙重響應水凝膠微結(jié)構(gòu)的制備。

進一步地，研究人員制備了含有3 個不對稱微臂的微致動器來提高對不同環(huán)境的刺激響應能力。該微致動器由3 個交聯(lián)密度交替分布的微臂組成。為了更加方便地展示水凝膠微致動器在不同溫度及pH 條件下的可控性，研究還使用了直徑10μm 的聚苯乙烯微球作為目標顆粒在不同條件下進行捕獲。

雙刺激協(xié)同響應特性的微致動器具有更為豐富的形狀變化，是由溫度升高時的氫鍵斷裂與酸性條件下叔胺基的質(zhì)子化同時作用產(chǎn)生的。該研究提出的雙重刺激協(xié)同響應特性相較于單一響應刺激賦予了微制動器更大的可操控性，這一特性使其在微操縱和微型軟體機器人方面具有潛在應用。下圖為雙刺激協(xié)同響應型水凝膠微致動器的制備與響應機制。 （本刊記者 良辰）