聲波諧振器實(shí)現(xiàn)聲子間
高保真量子糾纏
科技日?qǐng)?bào)2025年2月11日?qǐng)?bào)道,雖然量子糾纏現(xiàn)象已在微觀粒子中得到證實(shí),但在日常物體之間卻很難看到。美國芝加哥大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功展示了兩個(gè)聲波諧振器之間的高保真糾纏,標(biāo)志著量子聲學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。相關(guān)論文發(fā)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(gè)電子間實(shí)現(xiàn)糾纏。但現(xiàn)在,芝加哥大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用聲波諧振器實(shí)現(xiàn)了更大尺度上的糾纏。這里的糾纏并非發(fā)生在構(gòu)成諧振器的分子、原子或其他粒子之間,而是發(fā)生在諧振器產(chǎn)生的“聲子”之間。
聲子是納米級(jí)的機(jī)械振動(dòng),可被視為是一種聲音。研究人員解釋說,聲子是構(gòu)成聲音的最小量子單元。聲子不是基本粒子,而可能是數(shù)萬億個(gè)粒子共同運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)。與單個(gè)電子、單個(gè)原子、單個(gè)光子的量子糾纏系統(tǒng)相比,這是宏觀的。
傳統(tǒng)上,量子力學(xué)適用于微觀尺度的物理現(xiàn)象,經(jīng)典物理學(xué)則適用于人類日常經(jīng)驗(yàn)尺度。然而,通過實(shí)現(xiàn)大規(guī)模物體集體運(yùn)動(dòng)的量子糾纏,這一界限正在被拓展。隨著技術(shù)進(jìn)步,薛定諤提出的“貓態(tài)”(即量子疊加態(tài))存在的范圍也在逐漸擴(kuò)大。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種裝置,核心組件為兩個(gè)表面聲波諧振器。它們各自位于獨(dú)立的芯片上,并配有相應(yīng)的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)。每個(gè)諧振器均與一個(gè)超導(dǎo)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(tài)。利用此裝置,研究團(tuán)隊(duì)證實(shí),在保持物理分離的同時(shí),大型諧振器仍能以高保真度實(shí)現(xiàn)量子糾纏。
研究人員表示,盡管之前已有實(shí)驗(yàn)證明了糾纏現(xiàn)象的存在,但這些實(shí)驗(yàn)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(fù)雜的糾纏態(tài),未來有望將邏輯編碼加入其中。
(2025年2月11日 科技日?qǐng)?bào) 張佳欣)
太字節(jié)數(shù)據(jù)“塞進(jìn)”
毫米級(jí)存儲(chǔ)器
科技日?qǐng)?bào)2025年2月19日?qǐng)?bào)道,美國芝加哥大學(xué)研究人員開發(fā)出一種創(chuàng)新性的存儲(chǔ)技術(shù),利用晶體內(nèi)的單原子缺陷來表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的二進(jìn)制數(shù)“1”和“0”,將幾個(gè)太字節(jié)(TB)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在邊長僅為1毫米大小的晶體立方體中。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《納米光子學(xué)》雜志上。
歷史上,用于表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“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(shè)備可存儲(chǔ)的信息量。此次,研究人員利用晶體結(jié)構(gòu)中缺失的原子,在不超過1毫米的空間中存儲(chǔ)了數(shù)兆字節(jié)數(shù)據(jù)。
這種存儲(chǔ)技術(shù)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(gè)氧原子,留下空隙。晶體缺陷在量子研究中通常用于創(chuàng)建“量子比特”。
研究人員解釋說,稀土元素表現(xiàn)出特定的電子躍遷,可選擇精確的激光激發(fā)波長進(jìn)行光學(xué)控制,范圍從紫外線到近紅外區(qū)域。激光激發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)橐环N高效存儲(chǔ)設(shè)備,超越以往傳統(tǒng)計(jì)算的限制,實(shí)現(xiàn)了極高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度。
與通常由X射線或伽馬射線激活的劑量計(jì)不同,這種存儲(chǔ)設(shè)備可由簡單的紫外線激光觸發(fā)。
研究人員認(rèn)為,這項(xiàng)技術(shù)展示了一種跨學(xué)科方法,即應(yīng)用量子技術(shù)改造經(jīng)典的非量子計(jì)算機(jī)。它將最初專注于輻射劑量計(jì)的研究,重新用于革命性的微電子存儲(chǔ)器。這項(xiàng)技術(shù)突破了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的限制,為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)帶來新的超緊湊、大容量存儲(chǔ)解決方案。
(2025年2月19日 科技日?qǐng)?bào) 張佳欣)
全3D打印電噴霧發(fā)動(dòng)機(jī)問世
科技日?qǐng)?bào)2025年2月19日?qǐng)?bào)道, 美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)近期展示了一款完全采用3D打印技術(shù)制造的電噴霧發(fā)動(dòng)機(jī),能通過發(fā)射液滴來推進(jìn)。這款創(chuàng)新設(shè)備不僅生產(chǎn)迅速,而且成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)推進(jìn)器,它利用市場上可購買到的3D打印材料和技術(shù),甚至可以在太空中完成打印。相關(guān)論文11日在線發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》雜志上。
電噴霧發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是對(duì)導(dǎo)電液體施加電場,從而產(chǎn)生高速微小液滴射流以推動(dòng)航天器。這種微型發(fā)動(dòng)機(jī)特別適用于小型衛(wèi)星,如立方體衛(wèi)星。相較于化學(xué)燃料火箭,電噴霧發(fā)動(dòng)機(jī)在推進(jìn)劑使用上更為高效,因此更適合執(zhí)行精確的軌道內(nèi)機(jī)動(dòng)任務(wù)。盡管其產(chǎn)生的推力較小,但通過并聯(lián)多個(gè)電噴霧發(fā)射器可以達(dá)到所需的推力水平。
團(tuán)隊(duì)此次開發(fā)了一種結(jié)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(gòu)成的復(fù)雜設(shè)備時(shí)遇到的難題。他們采用還原光聚合打?。╒PP)技術(shù),包括數(shù)字光處理技術(shù),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(jié)構(gòu)。此外,他們還設(shè)計(jì)了一種夾緊機(jī)制來連接各個(gè)部件,保證了設(shè)備的水密性。這使得宇航員能夠在太空中直接打印衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī),無須依賴從地球發(fā)送的設(shè)備。
打印出的推進(jìn)器包含32個(gè)電噴霧發(fā)射器,這些發(fā)射器協(xié)同工作,確保推進(jìn)劑噴流穩(wěn)定均勻。最終的原型設(shè)備在推力性能上與現(xiàn)有設(shè)備相當(dāng),甚至更優(yōu)。
進(jìn)一步研究顯示,通過調(diào)整推進(jìn)劑的壓力,調(diào)節(jié)施加于發(fā)動(dòng)機(jī)上的電壓,可以控制液滴流量,實(shí)現(xiàn)更寬范圍的推力輸出。
研究人員表示,這種方法簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),減少了復(fù)雜管道、閥門或壓力信號(hào)網(wǎng)絡(luò),提供了一種更加輕便、經(jīng)濟(jì)且高效的電噴霧推進(jìn)解決方案。
3D打印出來的電噴霧發(fā)動(dòng)機(jī),幾乎可以標(biāo)志著航天推進(jìn)技術(shù)的一次重要突破。因?yàn)閾碛锌焖偕a(chǎn)和定制化的能力,在太空任務(wù)中能根據(jù)具體需求迅速調(diào)整設(shè)計(jì),極大提升了執(zhí)行靈活性和響應(yīng)速度。特別是在緊急維修或需要快速部署新衛(wèi)星的情況下,這種即時(shí)生產(chǎn)能力顯得尤為重要。而能在太空中直接制造發(fā)動(dòng)機(jī),意味著未來的太空任務(wù)將不再完全依賴從地球發(fā)送的設(shè)備,而是在軌道上就能自我修復(fù)和升級(jí)。因此說,這一創(chuàng)新不僅顯著降低了生產(chǎn)成本和時(shí)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?qǐng)?bào) 張夢(mèng)然)
錫納米顆粒催化劑
可高效轉(zhuǎn)化CO2
科技日?qǐng)?bào)2025年2月11日?qǐng)?bào)道,來自英國諾丁漢大學(xué)和伯明翰大學(xué)的合作團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種可持續(xù)催化劑。這種催化劑在使用過程中活性會(huì)增強(qiáng),能將二氧化碳(CO2)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值產(chǎn)品。這一成果為設(shè)計(jì)下一代電催化劑提供了新途徑。相關(guān)論文發(fā)表在10日的《ACS應(yīng)用能源材料》期刊上。
CO2是全球變暖的主要推手。將CO2轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品的傳統(tǒng)方法通常依賴化石燃料制氫,而電催化方法利用可持續(xù)能源(如光伏和風(fēng)能)和豐富的水。
該催化劑以具有納米紋理結(jié)構(gòu)的碳為載體,支撐錫微粒。在電催化過程中,對(duì)催化劑施加電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)電子穿過材料,與CO2和水發(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生有價(jià)值的化合物。其中一種產(chǎn)物就是甲酸鹽,它廣泛用于合成聚合物、藥品、黏合劑等化學(xué)產(chǎn)品。為了獲得最佳效率,該過程必須在低電勢下運(yùn)行,同時(shí)保持高電流密度和高選擇性,以確保有效利用電子將CO2轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)品。
研究人員測量了反應(yīng)過程中CO2分子所消耗的電流,以評(píng)估催化劑性能。通常,催化劑在使用過程中會(huì)降解,導(dǎo)致活性降低。然而他們發(fā)現(xiàn),在碳納米結(jié)構(gòu)上,錫微粒的電流在48小時(shí)內(nèi)持續(xù)增加,幾乎所有電子用于將CO2還原為甲酸鹽,生產(chǎn)率提高了3.6倍,同時(shí)保持了近100%的選擇性。
研究人員認(rèn)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(zhuǎn)移到CO2分子中起到了關(guān)鍵作用,這是在外加電勢下將CO2轉(zhuǎn)化為甲酸鹽的關(guān)鍵步驟。電子顯微鏡觀察結(jié)果表明,更小的錫微粒與電極的納米紋理碳實(shí)現(xiàn)了更好的接觸,從而改善了電子傳輸,并將活性錫中心的數(shù)量增加了近10倍。
這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化為高價(jià)值產(chǎn)品的選擇性和穩(wěn)定性。
(2025年2月11日 科技日?qǐng)?bào) 張佳欣)
高熵高溫?zé)崦籼沾刹牧?/p>
研發(fā)成功
科技日?qǐng)?bào)2025年2月18日?qǐng)?bào)道,記者從中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所獲悉,該所科研團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出具有褐釔鈮礦結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽高熵?zé)崦籼沾刹牧?,成功突破了寬溫域高精度傳感關(guān)鍵技術(shù),為新型極端環(huán)境熱敏陶瓷材料的設(shè)計(jì)合成提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果1月29日在線發(fā)表于國際期刊《微尺度》上。
記者了解到,科研人員創(chuàng)新性地提出熵工程協(xié)同異價(jià)取代策略,通過多元稀土離子A位引入導(dǎo)致的熵穩(wěn)定效應(yīng)與Sr2+異價(jià)摻雜的協(xié)同作用,顯著提升了氧空位濃度,進(jìn)而優(yōu)化了材料的電子傳輸特性和晶格穩(wěn)定性。研究表明,氧空位誘導(dǎo)的熵穩(wěn)定機(jī)制可同步調(diào)控材料微結(jié)構(gòu),形成孿晶疇、晶格畸變與動(dòng)態(tài)重構(gòu)等穩(wěn)定特征,有效強(qiáng)化了溫度—電阻響應(yīng)的線性度及高溫服役穩(wěn)定性。
通過該策略制備的高熵?zé)崦籼沾刹牧险宫F(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性,兼顧晶格穩(wěn)定性與載流子傳輸效率。該材料可用于223—1423 K寬溫區(qū),且兼具高的熱穩(wěn)定性(1000小時(shí)后老化漂移率lt;1%)和電阻溫度系數(shù)(1423 K條件下系數(shù)為0.223 %/K),可滿足航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及新能源汽車熱管理系統(tǒng)等高溫極端環(huán)境下的應(yīng)用需求。
(2025年2月18日 科技日?qǐng)?bào) 梁樂)
新型鉍基納米材料
有望用于癌癥治療
科技日?qǐng)?bào)2025年2月11日?qǐng)?bào)道,記者近日從上海理工大學(xué)獲悉,上海市胸科醫(yī)院與上海理工大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款新型鉍基納米材料,通過超聲波觸發(fā)腫瘤內(nèi)部水分解,直接產(chǎn)生氫氣和氧氣,激活自身免疫能力,實(shí)現(xiàn)高效抗癌。該成果為深部腫瘤治療提供了全新思路,相關(guān)研究2月8日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)科學(xué)》。
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(yī)學(xué)影像造影劑。近年來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鉍基納米材料具有低毒性、高穩(wěn)定性和催化活性,開始探索其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。如將鉍基材料用于光熱治療腫瘤、藥物靶向遞送等。
針對(duì)腫瘤的傳統(tǒng)放療、化療副作用大且易復(fù)發(fā),氫氣療法雖能抑制腫瘤代謝,卻又難以深入病灶。該研究負(fù)責(zé)人、上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院副教授李鈺皓介紹,此前關(guān)于鉍基納米材料的醫(yī)學(xué)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(chǎn)氫氧氣技術(shù)結(jié)合,提出“超聲催化水分解”策略:利用超聲波強(qiáng)穿透性,驅(qū)動(dòng)納米材料在腫瘤內(nèi)分解水分子,原位產(chǎn)生氫氣和氧氣,從而實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)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(dú)特的三元結(jié)構(gòu)大幅提升了電荷分離效率。實(shí)驗(yàn)表明,超聲波作用下,材料產(chǎn)氫效率比傳統(tǒng)催化劑提高約30%。氫氣可破壞癌細(xì)胞線粒體功能,阻斷能量供應(yīng);氧氣則緩解腫瘤缺氧,逆轉(zhuǎn)免疫抑制環(huán)境。此外,氟化鉍還能消耗腫瘤內(nèi)的關(guān)鍵抗氧化物質(zhì)谷胱甘肽,加劇癌細(xì)胞氧化損傷,形成“三重打擊”。
該材料在小鼠實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)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(zhǔn)釋放治療氣體,還可激活免疫細(xì)胞,未來有望與化療、免疫藥物聯(lián)用,提升實(shí)體瘤治療效果?!?/p>
此項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。接下來,團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化材料靶向性,并探索其在對(duì)氫敏感的缺氧性疾病中的應(yīng)用潛力。
(2025年2月11日 科技日?qǐng)?bào) 管晶晶)
用AI從頭“定制”可介導(dǎo)
多步反應(yīng)的酶
中國科學(xué)報(bào)2025年2月16日?qǐng)?bào)道,憑借在計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方面的貢獻(xiàn),斬獲2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的美國華盛頓大學(xué)教授David Baker帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)再獲新突破。其與合作者利用人工智能(AI)從頭設(shè)計(jì)出具有天然酶關(guān)鍵特征,即可介導(dǎo)多步反應(yīng)的全新的酶。該酶能夠加速一個(gè)對(duì)許多生物和工業(yè)過程(如塑料降解回收)至關(guān)重要的四步化學(xué)反應(yīng)。相關(guān)研究2月13日發(fā)表于《科學(xué)》。
“這是酶工程領(lǐng)域的一個(gè)里程碑?!泵绹晾Z伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的合成生物學(xué)家趙惠民說,“這表明,我們現(xiàn)在有可能設(shè)計(jì)出有實(shí)際用途的天然活性酶?!?/p>
酶是一種高效生物催化劑,科學(xué)家一直在探索如何更好地利用它加速所需的化學(xué)反應(yīng)。早期的相關(guān)研究主要通過對(duì)已有的酶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,來創(chuàng)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(chuàng)造出能夠介導(dǎo)多步反應(yīng)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(xué)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)師Anna Lauko說。
隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,AI走進(jìn)了研究人員的視野,他們開始嘗試?yán)肁I從頭設(shè)計(jì)酶,但成效并不顯著。該方法設(shè)計(jì)出的酶同樣無法像天然酶那樣催化多步反應(yīng),往往反應(yīng)第一步后就停止了。
為了破解上述難題,Baker、Lauko等人將多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法結(jié)合起來。他們首先從名為RFdiffusion的AI工具開始。這是Baker團(tuán)隊(duì)于2022年推出的基于擴(kuò)散模型的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)工具,它可以從頭生成新的酶結(jié)構(gòu)。然后,他們創(chuàng)建了一個(gè)名為PLACER的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過模擬酶中原子的位置及其在反應(yīng)的每個(gè)步驟中結(jié)合的分子來改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這時(shí)AI就像一個(gè)過濾器,在不斷檢查酶的活性位點(diǎn),即與分子相互作用的部分是否兼容、是否正確排列以執(zhí)行每一步反應(yīng)。在趙惠民看來,這是非常具有創(chuàng)新性的。
Lauko說,將這些AI工具結(jié)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(shè)計(jì)出了一種新的具有復(fù)雜活性位點(diǎn)的絲氨酸水解酶,其在加速反應(yīng)方面比以前設(shè)計(jì)的以類似方式工作的酶強(qiáng)6萬倍。
“我們可以嘗試?yán)迷摷夹g(shù)設(shè)計(jì)一種絲氨酸水解酶來分解塑料?!盠auko說。
不過,研究人員強(qiáng)調(diào),他們此次發(fā)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(duì)該酶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更多微調(diào)以提高其催化速度和效率,使該技術(shù)離現(xiàn)實(shí)應(yīng)用更進(jìn)一步。
(2025年2月16日 中國科學(xué)報(bào) 許悅)
新法高效回收鈣鈦礦
太陽能電池
科技日?qǐng)?bào)2025年2月12日?qǐng)?bào)道,據(jù)最新一期《自然》雜志報(bào)道,瑞典林雪平大學(xué)研究人員開發(fā)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(duì)環(huán)境有害的溶劑。不僅能將電池所有部件反復(fù)回收利用,而且回收后的電池效率與原始電池相當(dāng)。
未來幾年,電力使用量或?qū)⒋蠓黾?。為減少對(duì)氣候的影響,需要多種可持續(xù)能源協(xié)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(shù)之一。它們相對(duì)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(dá)25%的太陽能轉(zhuǎn)化為電能,可與當(dāng)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(huán)保的鈣鈦礦太陽能電池回收技術(shù)至關(guān)重要。此外,鈣鈦礦太陽能電池還含有少量鉛,這是實(shí)現(xiàn)高效率所必需的,但也對(duì)回收流程的有效運(yùn)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(zhì),它是油漆溶劑的常見成分。二甲基甲酰胺有毒,對(duì)環(huán)境有害且可能致癌。
林雪平大學(xué)研究人員此次開發(fā)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(zhì)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(jì)劃繼續(xù)研究該方法,推動(dòng)其在工業(yè)流程中更大規(guī)模地應(yīng)用。
(2025年2月12日 科技日?qǐng)?bào) 張佳欣)