世界首個原子級

量子傳感器問世

科技日報2024年7月25日報道，韓國基礎科學研究所（IBS）量子納米科學中心（QNS）和德國尤里希研究中心的國際研究團隊開發(fā)出世界上首個原子級量子傳感器，能夠檢測原子尺度的微小磁場。相關論文25日發(fā)表在《自然·納米技術》上。這一成果標志著量子技術領域的一個重要里程碑，有望對多個科學領域產(chǎn)生深遠影響。

原子直徑比人類發(fā)絲還要細100萬倍，要觀察和精確測量原子產(chǎn)生的電場、磁場等物理量極為困難。為了從單個原子中探測如此弱的場，觀察工具必須高度敏感，且尺寸須與原子相當。雖然許多量子傳感器能夠探測電場和磁場，但要在空間分辨率上達到原子尺度卻是個極大挑戰(zhàn)。

此次的原子級量子傳感器成功之處在于，它僅使用了單個分子。這是一種概念上不同的傳感方式，因為大多數(shù)其他傳感器的功能都依賴于晶格缺陷。這些缺陷只有在深深嵌入材料中時才會顯現(xiàn)其特性，因此這種能夠探測電場和磁場的缺陷通常與物體保持相當大的距離，從而限制了在單個原子尺度上進行觀測的能力。

研究團隊改變了方法，開發(fā)出一種使用單個分子來探測原子的電磁特性的工具。該分子附著在掃描隧道顯微鏡的尖端，可以將其帶到距離實際物體僅幾個原子的位置。

這項開創(chuàng)性工具類似核磁共振成像（MRI）的量子材料設備，為量子傳感器中的空間分辨率設立了新標準，將使科學家能夠在最基本的層面上探索和理解物質(zhì)。

該傳感器空間分辨率高達0.1埃，而1埃通常對應于一個原子直徑，有望為量子材料和設備工程、新型催化劑設計以及分子系統(tǒng)（如生物化學）基本量子行為的研究開辟新途徑。

（2024年7月25日 張佳欣 科技日報）

鋰離子電池回收技術

瓶頸獲突破

科技日報2024年7月30日報道，發(fā)表在29日《高級功能材料》雜志上的一項最新研究中，美國萊斯大學研究人員描述了一種使用微波輻射和易于生物降解的溶劑進行選擇性鋰回收的快速、高效且環(huán)保的方法。研究結(jié)果顯示，新工藝可以在短短30秒內(nèi)回收廢舊鋰離子電池（LIB）陰極中多達50%的鋰，突破了LIB回收技術中的一個重大瓶頸。

目前，鋰這種銀白色金屬需求量很大，面臨供不應求的局面。

傳統(tǒng)從廢電池中回收鋰的方法會對環(huán)境造成污染，且效率極低。這主要是由于回收過程中鋰受到污染和損失，同時回收過程能耗太大。由于鋰通常在其他金屬之后才會析出，研究人員試圖找出專門針對鋰的回收方法。

此次，研究人員使用氯化膽堿和乙二醇的混合物作為深共晶溶劑（DES）。他們此前已發(fā)現(xiàn)，在DES浸出過程中，鋰會被氯化膽堿中的氯離子包圍并被浸出到溶液中。

為了浸出鈷或鎳等其他金屬，氯化膽堿和乙二醇都必須參與該過程。在這兩種物質(zhì)中，只有氯化膽堿擅長吸收微波，于是研究人員將電池廢料浸入溶劑中，并用微波照射，從而能夠選擇性地從其他金屬中浸出鋰。

將微波輻射用于此過程類似于廚房微波爐快速加熱食物。能量直接傳遞給分子，使反應比傳統(tǒng)加熱方法快得多。

使用微波工藝，研究人員發(fā)現(xiàn)浸出87%的鋰需要15分鐘，而通過油浴加熱獲得相同的回收率則需要12小時。這種突破性方法可極大改善鋰離子電池回收的經(jīng)濟性和對環(huán)境的影響，為解決日益嚴重的全球問題提供了可持續(xù)的新方案。

（2024年7月30日 張佳欣 科技日報）

具明亮基態(tài)激子的半導體納米

晶體發(fā)現(xiàn)

科技日報2024年8月4日報道，來自美國海軍研究實驗室（NRL）和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）的科學家表示，他們發(fā)現(xiàn)了一類具有明亮基態(tài)激子的新型半導體納米晶體。這一發(fā)現(xiàn)標志著光電子領域的一項重大進步，可能會徹底改變高效發(fā)光器件等技術的發(fā)展。相關論文發(fā)表于新一期《美國化學學會·納米》雜志。

通常情況下，納米晶體內(nèi)能量最低的激子被稱為“暗”激子。暗激子的存在減緩了光的發(fā)射速率，限制了基于納米晶體的器件，如激光器或發(fā)光二極管（LED）的性能。長期以來，科學家一直致力于尋找克服這一難題的辦法。

NRL研究人員表示，他們采取了一種創(chuàng)新思路，即尋找激子能級順序顛倒的新材料，這樣原本處于最低能量的暗激子就“變身”為明亮的激子。在最新研究中，他們根據(jù)自己開發(fā)的理論建模結(jié)果，在開源材料數(shù)據(jù)庫中進行了廣泛搜索，初步篩選出150多個潛在目標。隨后，他們通過進一步計算分析，得到了28種具有明亮激子的納米材料。

ETH研究人員介紹稱，他們對這28種材料進行了更詳細的建模。結(jié)果顯示，其中至少有4種納米晶體擁有明亮的基態(tài)激子。

此次發(fā)現(xiàn)的這些新材料可以發(fā)出從紅外到紫外的廣譜光。這種獨特的多功能性使其在光電應用領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，為創(chuàng)造性能更優(yōu)異的LED、太陽能電池和光電探測器開辟了新途徑。

（2024年8月4日 劉 霞 科技日報）

新分子有望延長

鈣鈦礦電池壽命

科技日報2024年7月25日報道，記者從西湖大學獲悉，該校工學院王睿實驗室研發(fā)出一種新分子——Py3，它有望顯著提升鈣鈦礦太陽能電池（以下簡稱“鈣鈦礦電池”）光電轉(zhuǎn)化效率，并將其使用壽命延長約2倍。相關成果于24日在線發(fā)表于《自然》雜志。

“典型的鈣鈦礦電池共有5層。”王睿介紹，在正置鈣鈦礦電池中，自電池表面到內(nèi)部依次為透明導電氧化物、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴選擇接觸層、金屬電極；而在倒置鈣鈦礦電池中，電子傳輸層和空穴選擇接觸層的位置對調(diào)，其余幾層不變。Py3分子主要針對倒置鈣鈦礦電池而開發(fā)。

近幾年，科研人員發(fā)現(xiàn)，倒置鈣鈦礦電池的效率可與正置鈣鈦礦電池相媲美，且穩(wěn)定性更強，與疊層器件的兼容性也較好。因此，倒置鈣鈦礦電池成為新的研究熱點。

不過，王睿團隊發(fā)現(xiàn)，倒置鈣鈦礦電池存在一些缺陷，其與基于小分子的空穴選擇接觸層有關。該層是正電荷的“交通要道”，是實現(xiàn)倒置鈣鈦礦電池高效穩(wěn)定的關鍵組成部分。

“空穴選擇接觸層的性能，和所選用分子的化學結(jié)構(gòu)緊密相關?！?王睿解釋說，這類分子通常由共軛母核和錨定基團組成，目前其結(jié)構(gòu)設計依賴氮、硫、氧等雜原子取代的π-共軛結(jié)構(gòu)。這容易導致分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，影響鈣鈦礦電池的效率和穩(wěn)定性。

為解決這一問題，王睿團隊聯(lián)合浙江大學薛晶晶團隊，嘗試構(gòu)建一種全新的共軛母核。他們拋棄傳統(tǒng)設計思路，把目光投向具有本征穩(wěn)定性的全碳基結(jié)構(gòu)——芘核。最終，研究團隊成功合成基于芘的共軛母核分子Py3，并開發(fā)了新型空穴選擇接觸結(jié)構(gòu)。

實驗測試顯示，采用Py3分子作為空穴選擇接觸層的鈣鈦礦電池，光電轉(zhuǎn)化效率顯著提高至26.1%；此類鈣鈦礦電池器件運行壽命超1萬小時。而在現(xiàn)階段，鈣鈦礦電池的使用壽命約為3 000小時。

（2024年7月25日 劉園園 科技日報）

新型高性能聚合物熱電材料

研發(fā)成功

科技日報2024年7月25日報道，記者從中國科學院化學研究所獲悉，該所科研人員與其他科學家合作，研發(fā)出新型高性能聚合物熱電材料——PMHJ薄膜。相對于普通聚合物薄膜，PMHJ薄膜有望大幅提升材料的熱電性能，為高性能塑料基熱電材料研究提供全新思路。7月24日，相關成果在線發(fā)表于《自然》雜志。

碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學鍵，從而構(gòu)建出各種有機分子，這些分子單體可以通過周期性鍵合形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈透呖萍碱I域不可缺少的材料。

導電聚合物不但具有和傳統(tǒng)塑料類似的柔性、易加工性和低成本等特點，還可以通過分子設計和化學摻雜攜帶電荷，從而表現(xiàn)出導電性。更為神奇的是，很多導電聚合物可以作為熱電材料。也就是說，當聚合物薄膜兩端的溫度出現(xiàn)高低差時，材料兩端就會產(chǎn)生電動勢，即塞貝克效應；而當在材料兩端構(gòu)建導電回路并施加電壓時，導電塑料薄膜的兩端也會產(chǎn)生溫度差。

高性能熱電材料應具備高塞貝克系數(shù)、高電導率和低熱導率，而理想的模型就是“聲子玻璃-電子晶體”模型?！熬唧w來說，材料需要像玻璃一樣阻擋熱量（聲子）傳導，但又像晶體一樣允許電荷自由移動，也就是讓聲子寸步難行，而讓電荷暢通無阻?！笨蒲腥藛T解釋，科學界普遍認為，聚合物具有聲子玻璃特征，從而具有本征低熱導率。而實際上，很多高電導聚合物薄膜具有有序分子排列的結(jié)晶區(qū)，和理想的“聲子玻璃”有很大差異，直接制約了聚合物熱電性能的提高?？蒲腥藛T此次利用兩種不同的聚合物，研發(fā)出具有不同結(jié)構(gòu)特征的PMHJ薄膜。該薄膜不但可以保證有效的電荷傳輸，還可以高效散射聲子與類聲子傳播。

（2024年7月25日 陸成寬 科技日報）

兩顆“世界之首”科研衛(wèi)星

正式投入使用

科技日報2024年7月25日報道，國家航天局在京舉辦國家民用空間基礎設施大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星兩顆科研衛(wèi)星的投入使用儀式。

作為世界首顆采用激光主動探測手段的高精度大氣環(huán)境遙感衛(wèi)星，大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星可對大氣細顆粒物、污染氣體、溫室氣體、云和氣溶膠以及陸表、水體等環(huán)境要素，開展大范圍、連續(xù)、動態(tài)、全天時綜合監(jiān)測，并首次實現(xiàn)了全球全天時1ppm（百萬分之一）高精度二氧化碳柱濃度探測。發(fā)布的首批應用成果，包括首個高精度全球全天時二氧化碳柱濃度分布圖、首個全球二氧化氮柱濃度遙感圖、全球臭氧柱濃度遙感圖、全球PM2.5產(chǎn)品分布遙感圖等20余項產(chǎn)品。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星又稱“句芒號”，是世界首顆森林碳匯主被動聯(lián)合觀測的遙感衛(wèi)星，可探測植被生物量和植被生產(chǎn)力，同時滿足地理測繪、災害評估、農(nóng)情遙感等需求。該衛(wèi)星實現(xiàn)了對森林植被高度、生物量、葉綠素熒光的定量遙感探測，提升了我國和全球森林碳匯監(jiān)測能力。發(fā)布的首批應用成果，包括海南島葉綠素熒光空間連續(xù)產(chǎn)品、東北虎豹公園生物量反演產(chǎn)品、京津冀地區(qū)冬季小麥產(chǎn)量和夏季玉米生物量等20余項產(chǎn)品。

兩星在軌測試期間均展示了良好的應用效果。它們投入使用后，將對大氣環(huán)境與陸地生態(tài)系統(tǒng)開展監(jiān)測，為建設美麗中國、應對全球氣候變化、實現(xiàn)“雙碳”目標提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

（2024年7月25日 付毅飛 科技日報）