超低成本電池陰極材料

研發(fā)成功

科技日報(bào)2024年9月25日報(bào)道，據(jù)最新一期《自然·可持續(xù)性》雜志報(bào)道，美國佐治亞理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種革命性低成本陰極材料——氯化鐵，其成本僅為典型陰極材料的1%～2%，但可儲(chǔ)存相同數(shù)量的電量。該項(xiàng)成果將極大地改善電動(dòng)汽車市場以及整個(gè)鋰離子電池市場。

電動(dòng)汽車等大規(guī)模能源用戶對鋰離子電池的成本尤其敏感。目前，電池約占電動(dòng)汽車總成本的50 %，這使得清潔能源汽車比許多內(nèi)燃機(jī)汽車更昂貴。在電池結(jié)構(gòu)中，陰極材料會(huì)影響容量、能量和效率，在電池的性能、壽命和價(jià)格承受能力方面發(fā)揮著重要作用。

從2019年開始，研究團(tuán)隊(duì)嘗試使用氯化物基固體電解質(zhì)和傳統(tǒng)商用氧化物基陰極制造固態(tài)電池，結(jié)果證明陰極和電解質(zhì)材料無法兼容。團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)，氯化物基陰極可以與氯化物電解質(zhì)更好地匹配，從而能提供更好的電池性能。其中氯化鐵的晶體結(jié)構(gòu)更適合儲(chǔ)存和運(yùn)輸鋰離子。

目前，電動(dòng)汽車中最常用的陰極材料是氧化物，需要大量昂貴的鎳和鈷，這些重元素可能有毒，對環(huán)境構(gòu)成挑戰(zhàn)。相比之下，新開發(fā)的陰極材料只含有鐵和氯。這兩種元素常見于鋼鐵和食鹽中，儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉。

在初步測試中，氯化鐵的表現(xiàn)與其他價(jià)格高得多的陰極材料一樣jAtJuDo5b56cU8EVNon+SROHZC16jT6y8dNRyXYLSDw=好，甚至更優(yōu)。例如，它的工作電壓比常用的陰極磷酸鐵鋰更高。

截至目前，只有4種類型的陰極材料成功商業(yè)化應(yīng)用于鋰離子電池。新開發(fā)的陰極將是第5種，代表了電池技術(shù)的一大進(jìn)步：全固態(tài)鋰離子電池的開發(fā)。團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)技術(shù)或能在不到5年的時(shí)間內(nèi)在電動(dòng)汽車中實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

氯化鐵的工作電壓比現(xiàn)有的電極材料更高，這意味著使用氯化鐵的電池會(huì)有更大的容量。氯化鐵電極有良好的穩(wěn)定性和較低的退化率，有助于降低電池的更換頻率。而且，氯和鐵到處都有，這意味著成本的降低和對環(huán)境影響的輕微。如果氯化鐵能成功商用，對固態(tài)電池的意義是劃時(shí)代的。未來不光電動(dòng)汽車受益，手機(jī)和無人機(jī)也將變得更加強(qiáng)勁持久。我們再次意識到，化學(xué)和材料學(xué)是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的支撐。新的超級材料能為人類的幸福生活提供強(qiáng)大助力。

（2024年9月25日 張夢然 科技日報(bào)）

珠峰近年為何突然“長高”？

科學(xué)家最新研究揭示原因

中國新聞網(wǎng)2024年10月1日報(bào)道，被譽(yù)為“地球第三極”的世界最高峰珠穆朗瑪峰（珠峰），近年為何突然“長高”備受全球關(guān)注。

施普林格·自然旗下專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然-地球科學(xué)》北京時(shí)間9月30日夜間在線發(fā)表一篇中外科學(xué)家合作完成的論文認(rèn)為，珠峰近年的隆升可能部分歸因于約8.9萬年前一次河流襲奪事件對地貌的影響。論文作者估計(jì)，這一事件或使珠峰的高程增加了15-50米。

該論文介紹，印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)匯聚形成了喜馬拉雅山脈，造就了地球上一些高峰。其中，海拔近8 849米的珠峰比世界第二高峰高出約250米。先前對全球定位系統(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)的分析顯示，珠峰近年以每年約2毫米的速度隆升，這一速度超過了對喜馬拉雅山脈整體隆升速度的預(yù)期。這一現(xiàn)象表明，除了持續(xù)的區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)外，可能還存在其他機(jī)制促進(jìn)了珠峰的隆升。

在本項(xiàng)研究中，論文共同通訊作者、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）王成善院士團(tuán)隊(duì)的戴緊根教授和同事及合作者一起，對珠峰附近河流的變化是否推動(dòng)了珠穆朗瑪峰近年的隆升進(jìn)行研究。他們利用數(shù)值模型模擬了阿潤河及其下游網(wǎng)絡(luò)的演變，并與當(dāng)前地形進(jìn)行對比。模擬結(jié)果顯示，阿潤河在8.9萬年前曾襲奪上游朋曲。這次河水改道導(dǎo)致河流在適應(yīng)新河道的過程中發(fā)生了快速侵蝕，最終形成深切的阿潤河大峽谷。

戴緊根教授指出，雖然河流侵蝕可能導(dǎo)致沿河道的高程局部降低，但峽谷形成造成的大量物質(zhì)被帶走，可能引起包括珠峰在內(nèi)的周圍地貌的隆升作為補(bǔ)償反應(yīng)。

論文作者總結(jié)認(rèn)為，盡管與板塊運(yùn)動(dòng)相比，河流襲奪對地形變化的貢獻(xiàn)可能相對較小，但這一過程對于區(qū)域侵蝕模式和山峰的進(jìn)一步隆升都可能產(chǎn)生重要影響。

（2024年10月1日 孫自法 中國新聞網(wǎng)）

受人類骨骼啟發(fā)，空心混凝土

抗損度提高5.6倍

科技日報(bào)2024年9月27日報(bào)道，受人類骨骼堅(jiān)硬外層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，美國普林斯頓大學(xué)工程師開發(fā)出一種新型混凝土，能抵抗開裂和突發(fā)性破壞，抗損傷能力比普通混凝土高出5.6倍。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《先進(jìn)材料》雜志。

在開發(fā)這種新型混凝土?xí)r，研究人員從人類密質(zhì)骨中獲得了靈感。這種人類股骨的致密外殼，由被稱為骨單位的橢圓形管狀結(jié)構(gòu)組成。其形狀和排列方式能在這些骨單位周圍分散裂紋，防止它們在受到?jīng)_擊時(shí)斷裂。

為了澆筑這種仿生混凝土，研究人員用聚乙烯醇3D打印了一個(gè)管狀模板模具。然后，他們將橡膠倒入模具中制作出該模板的底片。最后，他們將橡膠溶解以形成聚氨酯硅模具，并用它來澆筑混凝土。

憑借巧妙的仿生設(shè)計(jì)，新型混凝土的空心管可“捕捉”裂紋并阻止其進(jìn)一步擴(kuò)展。這與通過向混凝土中添加纖維、塑料等材料來增強(qiáng)其強(qiáng)度的方法截然不同。新方法能夠控制每個(gè)裂紋的擴(kuò)展使得材料不會(huì)一次性全部斷裂，并能承受漸進(jìn)性損傷，使材料變得更加堅(jiān)固。

研究人員進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲測試和單邊缺口彎曲測試。他們使用2毫米厚的金剛石鋸片和剃刀在混凝土上切出缺口，并多次重復(fù)該過程，以收集有關(guān)材料斷裂韌性的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，新型混凝土抗損傷能力比普通混凝土高出5倍以上。這不僅意味著建筑物更加安全，還可減少混凝土生產(chǎn)，對環(huán)境保護(hù)大有裨益。

（2024年9月27日 張佳欣 科技日報(bào)）

新型電路為機(jī)器人“思考”

騰出空間

科技日報(bào)2024年10月9日報(bào)道，英國倫敦國王學(xué)院研究人員首次研發(fā)出無需電力就能向機(jī)器人發(fā)出復(fù)雜指令的方法，這能為機(jī)器人“大腦”騰出更多“思考”空間。這一世界首創(chuàng)成果為新一代機(jī)器人的誕生開辟了可能。研究成果發(fā)表在最新一期《先進(jìn)科學(xué)》雜志上。

研究人員模仿人體某些部位的工作原理，使用一種新型緊湊型電路，通過內(nèi)部流體壓力的變化，向設(shè)備傳輸了一系列指令。通過將軟件的工作卸載到硬件上，新型電路可為機(jī)器人的“思考”騰出計(jì)算空間，原本用于控制中心的空間可轉(zhuǎn)而用于運(yùn)行更復(fù)雜的AI軟件。

研究人員稱，簡單來說，機(jī)器人分為兩部分，即大腦和身體。AI大腦可幫助管理城市的交通系統(tǒng)，但為什么許多機(jī)器人仍然連一扇門都打不開呢？原因在于，硬件沒有跟上軟件的迅速發(fā)展。通過創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立于運(yùn)行軟件的硬件系統(tǒng)，大量計(jì)算任務(wù)即可轉(zhuǎn)移到硬件上，就像人腦不需要告訴心臟要跳動(dòng)一樣。

目前，所有機(jī)器人都依賴電力和計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行。機(jī)器人的“大腦”由算法和軟件組成，通過編碼器將信息傳遞給身體或硬件，然后執(zhí)行動(dòng)作。在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，這一問題尤為突出。該領(lǐng)域使用軟質(zhì)材料制造如機(jī)器人肌肉之類的設(shè)備，通常會(huì)引入硬質(zhì)的電子編碼器，并對軟件施加壓力，使材料以復(fù)雜的方式行動(dòng)。

研究人員開發(fā)了一種帶有可調(diào)閥門的可重構(gòu)電路。它被放置于機(jī)器人硬件中，而閥門的作用類似于普通電路中的晶體管。工程師可通過壓力直接向硬件發(fā)送信號，模仿二進(jìn)制代碼，從而使機(jī)器人無需電力或中央大腦的指令就能執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作。與目前基于流體的電路相比，這可實(shí)現(xiàn)更高水平的控制。

這項(xiàng)成果有望促成在電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備無法工作的環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)器人問世，比如能在輻射區(qū)勘探，或在磁共振成像室等電力敏感環(huán)境中作業(yè)。

（2024年10月9日 張佳欣 科技日報(bào)）

跨越7公里！我國科學(xué)家研究

分布式光量子計(jì)算獲重要進(jìn)展

央視新聞客戶端2024年10月8日報(bào)道，從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展——基于固態(tài)量子存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)跨越7公里的分布式光量子計(jì)算。研究成果于10月2日發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。

該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)、柳必恒等人基于多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)和量子門隱形傳送協(xié)議，在合DNusUK1vj/HvLqNAElZipnlroMT+eA9/1JPe6zfhfL0=肥市區(qū)實(shí)現(xiàn)了跨越7公里的非局域量子門。

分布式量子計(jì)算是解決量子計(jì)算可擴(kuò)展性難題的一條可行路徑，它通過非局域量子門連接獨(dú)立的量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)，從而整合量子網(wǎng)絡(luò)中的算力資源來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算規(guī)模的提升。然而，非局域量子門目前僅在數(shù)十米的尺度下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)演示，無法滿足在大尺度量子網(wǎng)絡(luò)中整合算力資源的需求。

在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)基于量子門隱形傳送協(xié)議來建立兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的非局域量子門。兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的直線距離為7公里，分別位于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)東校區(qū)（簡稱中國科大）和合肥市大蜀山東側(cè)（簡稱大蜀山）。研究團(tuán)隊(duì)首先在兩節(jié)點(diǎn)間使用通信波段光子和專線光纜進(jìn)行了量子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)程分發(fā)。隨后，中國科大節(jié)點(diǎn)和大蜀山節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行本地的兩比特量子門操作。中國科大節(jié)點(diǎn)采用摻銪硅酸釔晶體實(shí)現(xiàn)糾纏光子的存儲(chǔ)，直到接收到大蜀山節(jié)點(diǎn)的測量結(jié)果，并根據(jù)這一結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的單比特門操作。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，固態(tài)量子存儲(chǔ)器的糾纏存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到80.3 μs，相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲(chǔ)的時(shí)間模式數(shù)達(dá)1 097個(gè)，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性的提升。基于非局域量子門，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步操控，實(shí)現(xiàn)了量子算法的遠(yuǎn)程分布式執(zhí)行。

該工作首次在城市距離上實(shí)現(xiàn)分布式光量子計(jì)算的演示，展示了基于量子存儲(chǔ)和通信光纜構(gòu)建分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的可行性，為規(guī)?；孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了新思路。

（2024年10月8日 王利 央視新聞客戶端）

氮摻雜單原子層非晶碳的

可控液相合成方法獲揭示

中國科學(xué)報(bào)2024年9月26日報(bào)道，二維非晶碳是碳材料家族的一種新型同素異形體。與石墨烯的周期性蜂窩結(jié)構(gòu)不同，單原子層的非晶碳由五、六、七元碳環(huán)無序拼接而成。研究人員此前通過化學(xué)氣相沉積方法在非平衡條件下成功制備了該材料，并發(fā)現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)可顯著調(diào)控碳材料的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度等物理性能。

雖然化學(xué)氣相沉積被廣泛用于制備石墨烯及其衍生材料，但其高溫條件不利于異質(zhì)原子在碳原子網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定摻雜。相比之下，液相聚合方法在高分子化學(xué)合成被廣泛采用，該方法條件溫和，前驅(qū)體選擇多樣。然而，在液相聚合中，反應(yīng)中間體構(gòu)象多變且存在復(fù)雜的立體相互作用，因此使用液相聚合法難以獲得具有二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。

為此，中國科學(xué)院大學(xué)教授周武、國家納米科學(xué)中心研究員裘曉輝與北京航空航天大學(xué)教授郭林、教授劉利民、清華大學(xué)教授谷林等組成的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種利用納米尺度二維限域模板進(jìn)行小分子聚合的液相合成策略，成功制備了氮元素?fù)诫s的單原子層非晶碳材料。該方法利用層狀模板的限域作用，將自由基中間體的聚合過程限制在二維平面內(nèi)，最終形成了五、六、七元環(huán)共存的二維無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。9月25日，該研究成果在線發(fā)表于《自然》。

利用低電壓掃描透射電子顯微鏡技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)精確解析了碳原子和氮原子在二維非晶碳網(wǎng)絡(luò)中的分布，證實(shí)了氮原子成功嵌入碳原子組成的平面網(wǎng)絡(luò)中，并確認(rèn)了氮摻雜濃度可達(dá)9%。通過第一性原理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了該材料的形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)受限空間中的化學(xué)反應(yīng)模式發(fā)生了顯著變化。光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)測試表明，該材料具有p型半導(dǎo)體特性，為研究原子摻雜對二維非晶碳材料的電子局域化現(xiàn)象的影響提供了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)平臺。該項(xiàng)工作在二維聚合物限域合成領(lǐng)域邁出了重要一步，為未來開發(fā)性能優(yōu)越的二維非晶材料提供了新途徑。

該工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中國科學(xué)院大學(xué)電子顯微學(xué)實(shí)驗(yàn)室、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃等項(xiàng)基金的支持。

（2024年9月26日 張晴丹 中國科學(xué)報(bào)）

科學(xué)家揭秘大氣急流對

氣候和生態(tài)的影響

光明日報(bào)2024年10月7日報(bào)道，西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院教授徐國保9月25日以第一作者身份在國際期刊《自然》發(fā)表長文《大氣急流影響了歐洲七個(gè)世紀(jì)的極端事件》。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地探討了大氣急流的位置變化對歐洲森林生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的影響，揭示了西北歐和東南歐之間對比鮮明的氣候條件對農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響。

急流是位于上層大氣中的高速風(fēng)帶，分別在北半球和南半球由西向東環(huán)繞地球。急流的位置并不固定，會(huì)隨著高、低壓系統(tǒng)的位置和強(qiáng)度變化而向北或向南移動(dòng)，甚至改變其路線。這些高、低壓系統(tǒng)直接影響地球表面的氣候條件，因此急流位置的變化會(huì)導(dǎo)致天氣狀況的改變，包括熱浪、洪水和干旱等極端事件，進(jìn)一步影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和全球糧食安全。

在北半球，急流在歐洲的位置變化，導(dǎo)致西北歐（如不列顛群島）和東南歐（如巴爾干半島）出現(xiàn)相反的氣候狀況和極端天氣現(xiàn)象，形成了一個(gè)類似于蹺蹺板的氣候“偶極”模態(tài)。當(dāng)急流處于極北位置時(shí)，西北歐（不列顛群島）的天氣會(huì)變得更寒冷、潮濕，而地中海和巴爾干半島則會(huì)變得更溫暖、更干燥；相反，當(dāng)急流向南移動(dòng)時(shí)，它會(huì)把溫暖干燥的空氣拖到不列顛群島上空，把溫度更低、濕度更大的空氣推向歐洲東南部。

為了分析歐洲地區(qū)急流位置的歷史變動(dòng)情況，研究團(tuán)隊(duì)通過使用來自歐洲各地對溫度變化敏感的樹木年輪樣本，重建了過去700年的急流變化。經(jīng)過長時(shí)間的比對、交叉定年、重建，徐國保團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，西北歐和東南歐的氣候“偶極”現(xiàn)象在幾個(gè)世紀(jì)以來一直存在，并且在北極急流位置異常偏北或偏南時(shí)最為顯著。

研究團(tuán)隊(duì)利用了現(xiàn)有的氣候重建數(shù)據(jù)以及數(shù)個(gè)世紀(jì)以來關(guān)于熱浪、干旱、洪水、風(fēng)暴、收成、饑荒、疾病等歐洲豐富且可靠的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)了急流緯度位置的極端變化與生物物候（葡萄收獲）、農(nóng)eHGWRuI1eCLC3OWxJ/PAoQ==業(yè)經(jīng)濟(jì)和人類人口影響之間存在著某種聯(lián)系。

據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)研究成果加深了人類對工業(yè)化之前自然氣候系統(tǒng)變異性的理解，為改善研究人員賴以預(yù)測未來氣候的模型提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并揭示了自然氣候變異如何影響人類社會(huì)。

（2024年8月13日 馬愛平 科技日報(bào)）

光催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)

“氮占氧巢”

科技日報(bào)2024年10月8日報(bào)道，韓國高級科學(xué)技術(shù)研究所科學(xué)家憑借光催化技術(shù)，成功地從分子中提取出一個(gè)氧原子，并巧妙地用氮原子取而代之。最新研究有望改變藥物制造方式。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《科學(xué)》雜志。

分子內(nèi)部即使出現(xiàn)微小的變化，也會(huì)產(chǎn)生重大影響。美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分?？茖W(xué)家此前就曾證實(shí)，改變雜環(huán)內(nèi)的單個(gè)原子，會(huì)對藥物的療效產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。先前的研究還表明，有些復(fù)雜分子可通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行編輯，但成功者寥寥無幾。因此，當(dāng)化學(xué)家想要對分子進(jìn)行微調(diào)，甚至替換一個(gè)原子以用于測試時(shí)，他們必須從頭開始合成分子。

為打破這一困境，科學(xué)家一直在尋找更有效的方法來編輯分子，或者更具體地說，用一個(gè)原子替代另一個(gè)原子。在新研究中，韓國科學(xué)家開發(fā)出一種所謂“鉛筆—橡皮擦”技術(shù)：其中一個(gè)原子被擦除，另一個(gè)原子用“鉛筆”書寫。

這一技術(shù)的靈感源于化學(xué)家阿克塞爾·庫特爾和艾倫·拉布拉什·孔比耶于1971年發(fā)表的一篇論文。在那篇論文中，庫特爾和孔比耶使用紫外線將呋喃（最簡單的含氧五元雜環(huán)化合物）轉(zhuǎn)化為N-丙基吡咯，以提高其產(chǎn)量。但由于離域問題，這種編輯方法極具挑戰(zhàn)性。之前科學(xué)家的嘗試涉及施加高溫或輻射，但收效甚微。

在最新研究中，韓國科學(xué)家使用光催化劑來激活呋喃環(huán)，隨后利用紫外線，將呋喃中的氧原子與氮原子進(jìn)行了交換。

（2024年8月13日 馬愛平 科技日報(bào)）