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(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）量子納米科學(xué)中心（QNS）和德國尤里希研究中心的國際研究團(tuán)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(guān)論文25日發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》上。這一成果標(biāo)志著量子技術(shù)領(lǐng)域的一個重要里程碑，有望對多個科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

原子直徑比人類發(fā)絲還要細(xì)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(dāng)。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(dá)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(dāng)大的距離，從而限制了在單個原子尺度上進(jìn)行觀測的能力。

研究團(tuán)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(shè)備，為量子傳感器中的空間分辨率設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)，將使科學(xué)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(dá)0.1埃，而1埃通常對應(yīng)于一個原子直徑，有望為量子材料和設(shè)備工程、新型催化劑設(shè)計以及分子系統(tǒng)（如生物化學(xué)）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(shù)

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(xué)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(jìn)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(dá)50%的鋰，突破了LIB回收技術(shù)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(yīng)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(yīng)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(jì)性和對環(huán)境的影響，為解決日益嚴(yán)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(dǎo)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(xué)院（ETH）的科學(xué)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(dǎo)體納米晶體。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著光電子領(lǐng)域的一項重大進(jìn)步，可能會徹底改變高效發(fā)光器件等技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《美國化學(xué)學(xué)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(xué)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(jìn)行了廣泛搜索，初步篩選出150多個潛在目標(biāo)。隨后，他們通過進(jìn)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(jìn)行了更詳細(xì)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(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)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(xué)獲悉，該校工學(xué)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(guān)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?！蓖躅＝榻B，在正置鈣鈦礦電池中，自電池表面到內(nèi)部依次為透明導(dǎo)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(qiáng)，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(tuán)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(guān)。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(guān)鍵組成部分。

“空穴選擇接觸層的性能，和所選用分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)?！?王睿解釋說，這類分子通常由共軛母核和錨定基團(tuán)組成，目前其結(jié)構(gòu)設(shè)計依賴氮、硫、氧等雜原子取代的π-共軛結(jié)構(gòu)。這容易導(dǎo)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(tuán)隊聯(lián)合浙江大學(xué)薛晶晶團(tuán)隊，嘗試構(gòu)建一種全新的共軛母核。他們拋棄傳統(tǒng)設(shè)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(tuán)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(xué)院化學(xué)研究所獲悉，該所科研人員與其他科學(xué)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(guān)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(xué)鍵，從而構(gòu)建出各種有機(jī)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(lǐng)域不可缺少的材料。

導(dǎo)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(shè)計和化學(xué)摻雜攜帶電荷，從而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。更為神奇的是，很多導(dǎo)電聚合物可以作為熱電材料。也就是說，當(dāng)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(yīng)；而當(dāng)在材料兩端構(gòu)建導(dǎo)電回路并施加電壓時，導(dǎo)電塑料薄膜的兩端也會產(chǎn)生溫度差。

高性能熱電材料應(yīng)具備高塞貝克系數(shù)、高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)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(dǎo)，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。”科研人員解釋，科學(xué)界普遍認(rèn)為，聚合物具有聲子玻璃特征，從而具有本征低熱導(dǎo)率。而實際上，很多高電導(dǎo)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(chǔ)設(shè)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(xì)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(yīng)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(zāi)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?zé)晒獾亩窟b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(yīng)用成果，包括海南島葉綠素?zé)晒饪臻g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(yīng)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(shè)美麗中國、應(yīng)對全球氣候變化、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

（2024年7月25日 付毅飛 科技日報）