高性能柔性传感器

 

西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组提出在柔性衬底上低温合成大面积、图案化和高质量二维（2D）过渡金属硫族化合物（TMDs）材料的方法，这个方法为在柔性衬底上实现高性能柔性电子器件与系统提供了新的途径。相关成果发表于《先进材料》（Advanced Materials）。柔性传感器以其可折叠、可卷曲、可拉伸的特殊物理属性和轻质、便携、低能耗等特点备受人们关注。研究成果不仅实现了在柔性衬底表面直接制备图案化薄膜和柔性传感器集成，也为其他2D TMDs柔性材料的制备、柔性电子器件的设计与构筑，以及2D材料在传感领域和特殊环境的应用提供了新思路。

 

高能物理用石榴石闪烁陶瓷

 

中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员带领透明与光功能陶瓷研究团队与国内外合作者联手，对铈离子掺杂镥铝石榴石（Ce:LuAG）闪烁陶瓷进行组分设计和性能优化。相关成果发表于《欧洲陶瓷学会杂志》（Journal of the European Ceramic Society）。闪烁体能够将高能射线或粒子转化为紫外或可见光波段发光，是人类探索微观物质起源和宏观宇宙演化的重要介质，充当着人类观察高能粒子的“眼睛”角色。闪烁体被广泛应用于科研、医疗、国土安全和工业等领域。论文基于“缺陷工程”的策略，在Ce:LuAG透明陶瓷中引入二价Ca2+，并系统研究了Ca2+掺杂浓度对陶瓷微观结构、光学质量和闪烁性能的影响。

 

基于共格界面键切换机制实现氮化硅陶瓷塑性变形

 

清华大学材料学院张杰等人通过在共价键氮化硅陶瓷材料中设计共格界面，创新性引入“共价键断裂-旋转-再键合”方式来实现类似金属中的位错运动，使得氮化硅陶瓷表现出前所未有的室温压缩塑性形变。相关成果发表于《科学》（Science）。陶瓷是我国的重大发明，先进陶瓷材料因具有耐高温、耐腐蚀、强度高、密度低等优异性能而备受关注。陶瓷如能实现塑性，将成为比目前性能最好的合金还要更轻、更强的材料，但陶瓷塑性非常罕见。相关研究通过独特的结构设计和新的相变机制，在氮化硅（综合性能最优异的工程陶瓷之一）中实现了室温塑性，这为最终实现可变形陶瓷的梦想提供了可行途径。

 

显著提升n型有机电化学晶体管性能

 

北京大学材料科学与工程学院雷霆研究员课题组提出了新的n型有机电化学晶体管材料设计策略——“掺杂态调控”。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。有机电化学晶体管（OECT）是一种基于有机半导体的三端器件，在生物化学传感器、神经接口器件和神经形态计算等领域有着广泛的应用。受到有机场效应晶体管（OFET）材料设计的影响，传统n型有机电化学晶体管材料设计常常通过引入更多的缺电子基团来降低最低未占据分子轨道（LUMO）能级。文章首次提出了理解并调控聚合物掺杂态下分子性质的方法和重要意义。

 

光重构非均匀螺距软物质超结构研究

 

华东理工大学材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心朱为宏教授和物理学院郑致刚教授合作，开展了液晶软结构多自由度调控研究。相关成果发表于《美国化学会志》（JACS）。论文基于液晶材料的独特性质，创造性地设计并引入一种具备宽吸收光谱的光控吸收剂，结合内源手性光开关，实现对液晶螺旋超结构的多自由度（螺距和螺距分布）的可逆光操控。手性光开关赋予液晶螺旋结构的螺距可调性，光控吸收剂具有可变的宽光谱吸收、优异的热稳定性、良好的抗疲劳性和与液晶良好的相容性等优点，通过调节液晶盒内部透射的光强，可进一步对螺距分布的调控实现液晶螺旋从均匀螺距到非均匀螺距的可逆重构。

 

缺陷结构演化实现高性能热电材料

 

中国科学院理化技术研究所低温材料及应用超导研究中心周敏与清华大学、日本国立材料研究所等国内外多个研究机构合作，提出缺陷结构演化调控热电输运性能、提升ZT值的策略，为实现高性能热电材料研究提供基础。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。热电转换效率主要由材料的无量纲热电优值（ZT值）决定。为了获得高ZT值，热电材料需要同时具有高的温差电动势和电导率及低热导率，但3个参数协同调控困难。文章通过调控制备工艺诱导本征Ge空位进行高维定向演化，在碲化锗材料中构建了从原子尺度的点缺陷、纳米尺度的位错和电畴到微观尺度的晶界的多级结构。

 

自旋交叉材料后合成修饰研究

 

中山大学化学学院童明良教授和倪兆平副教授团队开展了对自旋交叉框架主体进行可逆氧化还原后合成修饰的探索研究。相关成果发表于《美国化学会志》（JACS）。自旋交叉（Spin-Crossover，SCO）配合物作为典型的刺激响应性材料，在物理（如温度、光照、压力）和化学刺激下可以实现高自旋态和低自旋态之间的可逆切换，并伴随着光、电、磁等物理性质的改变，在信息存储、分子开关、显色器件等领域具有巨大的应用潜能。文章首次在自旋交叉材料中建立起普适的可逆氧化还原后合成修饰方法，实现SCO材料在滞回型一步/两步/三步自旋交叉性质间进行动态切换，为设计多刺激响应型分子开关提供了新思路。

 

柔性MOF膜制备研究

 

北京理工大学化学与化工学院赵之平教授团队提出了一种在聚合物基底中包埋晶种进而通过表面晶体诱导生长法精确构筑MOF纳米片膜的新构想，在聚合物基底表面实现高柔性超疏水MOF膜的层次构建。相关成果发表于《科学》（Science）。基底负载的异质外延金属有机骨架（MOF）膜在分离方面展现出巨大的应用潜力。现有方法多在刚性无机基底上制备MOF膜，为突破膜放大制备难度大、膜组件加工制作灵活性差的技术瓶颈，文章解析了纳米片的晶体结构及其内部的传质通道，揭示聚合物与纳米片层在分离过程中的协同机制，突破了柔性MOF膜制备瓶颈，为规模化制备和应用提供了理论依据和技术支撑。

 

从沙漠到香格里拉，揭秘青藏高原东部隆升历史

 

中国科学院青藏高原研究所丁林院士带领的碰撞隆升及影响团队揭秘香格里拉的前世今生。相关成果发表于《科学通报》（Science Bulletin）。以稻城香格里拉为代表的青藏高原东部高海拔森林景观曾经是一片低地沙漠，直到3400万年前才转变为现今的模样。研究成果重建了青藏高原东部5000万～3400万年前，从约600米的低海拔沙漠到约3500米海拔高山森林的隆升历史，揭示了约距今5000万年至距今3400万年的中-晚始新世，一个独特的古亚洲季风系统和以稻城香格里拉为代表的横断山现代生物多样性热点的形成过程；进一步了解了季风对未来全球变化的敏感性，以及如何影响生物多样性和生态系统功能。

 

全球灌溉农业融雪依赖度及气候风险的远程耦合机制

 

北京大学环境学院覃栎课题组与国内外合作单位共同搭建了气候变化下灌溉农业融雪依赖区的风险传递综合评估框架，为揭示气候风险的远程耦合机制提供新研究范式做出了重要尝试。相关成果发表于《自然·气候变化》（Nature Climate Change）。气候变化和全球化背景下，国际贸易驱动了灌溉农业所面临的局地融雪风险在全球范围内的远程耦合。相关研究揭示的气候风险远距离传递和再分配机制意味着全球必须在更大范围内制定气候适应性策略，这同时有助于推进全球性气候减缓行动的积极合作，为应对气候变化引发的灌溉农业融雪风险和保障全球粮食安全提供科学支撑。

 

热带海洋增暖或致东亚季风区多雨

 

同济大学海洋地质国家重点实验室教授翦知湣团队发现热带海洋变暖对东亚季风气候具有强化作用，首次从能量学角度阐释了低纬海洋过程在气候演变中的驱动作用，为解答海—陆水热循环联系提供了最新见解。相关成果发表于《自然》（Nature）。文章综合利用现代观测、古环境替代指标，以及海气耦合模式和水同位素数值模式的瞬变模拟，从暖池区上层海洋热含量（而非表层海水温度）的角度探索水汽潜热传输，通过海陆之间的水同位素梯度来衡量全球季风水循环强度，不仅拓展了古海洋与古气候的能量学研究新领域，也可为现代和未来气候变化提供“以古论今”的新思路。

 

食品系统氮污染减缓策略研究

 

中国科学院城市环境研究所可持续城镇化与智慧城市研究组吝涛等人开发出一套将氮流动与可持续发展策略相结合的区域食品源氮足迹计算模型，并将其用于模拟福建省食品系统全生命周期过程中的氮输入、排放和循环。相关成果发表于《资源，保护和回收》（Resources, Conservation & Recycling）。结果显示，循环食品系统策略会显著减少福建省环境氮排放（39.5%），其次是减少食品损失和浪费策略（17.9%），而城乡居民均衡饮食则会增加15.5%的氮排放。因此，将居民的食品消费、牲畜养殖、水产养殖和作物种植有效整合在同一系统内，可以实现较低的氮排放。

 

珠江形成于3000万年前

 

中国科学院海洋研究所万世明与国内外合作者通过南海北部的陆源碎屑沉积记录约束了过去3500万年以来研究区沉积物物源演化，揭示类似现代规模的珠江流域形成于约3000万年前，源于青藏高原东南部隆升和中国东部地形倒转。相关成果发表于《地球与行星科学通讯志》（Earth and Planetary Science Letters）。现代珠江发源于云贵高原，流经华南地块（包括华夏地块和扬子地块），自广州汇入南海，是我国境内仅次于长江、黄河的第三长河。文章基于南海北部晚始新世约3500万年以来长期、连续且高分辨率的沉积记录，在国际上首次精确限定了珠江的发育和形成历史，明确高原隆升驱动了珠江演化过程。

 

热泵在中国实现2060年“碳中和”目标中的作用被低估

 

上海交通大学王如竹教授领衔的能源-空气-水ITEWA创新团队梳理了中低温供热当前和未来在民用部门和工业部门的潜在应用领域，从技术到系统应用层面总结热泵技术装备在民用、工业等部门的新进展，提出热泵优化发展方向；并结合未来电力减排趋势，分析热泵的碳减排潜力。相关成果发表于《工程》（Engineering）。文章希望让热泵从被严重低估的角色得以受到关注，尤其是热泵可以解决大部分建筑供热需求及超过40%的工业热能需求。在未来可再生电力高占比场景，热泵可以实现近20亿吨CO2排放量的减排，达到2019年中国碳排放总量的近20%。热泵可以为我国达成2060年“碳中和”目标发挥重要作用。

 

短期气候预测研究

 

中国科学院大气物理研究所郑飞研究员课题组利用CAS-ESM-c超前2个月的成功预测来探索2020/2021年冬季寒潮爆发的物理机制。相关成果发表于《气候动力学》（Climate Dynamics）。中国科学院地球系统模式气候模式版本CAS-ESM-c提前给出了我国中东部气温异常偏低的预测结果。研究人员通过分析初始场中的北半球海温配置和集合预测成员中的优劣差异，指出对2020/2021年冬季寒潮入侵的成功预测，源于对暖北极冷热带的海洋初始条件的精准刻画，以及合理体现前期秋季北极偏暖的气候效应。暖北极冷热带的海洋初始条件为极端寒潮入侵提供了背景条件，半球尺度的经向梯度减弱有利于冷空气入侵的频繁发生。

 

大气天然源高含氧有机物生成的新机制

 

复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院赵德峰课题组与其合作者针对天然源VOC中的主要类别之一单萜烯，选择全球排放量最大的α-蒎烯为代表，研究了其在日间HOM的生成过程。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。二次有机气溶胶（SOA）是大气气溶胶的重要组成部分，其恶化区域空气质量，危害人群健康，并通过散射吸收太阳辐射和作为云凝结核影响成云从而影响全球气候。SOA由挥发性有机物（VOC）作为前体物通过大气氧化反应转化生成，其中高含氧有机分子（HOM）是VOC转化生成SOA中的关键中间物种。文章进一步评估了H摘除途径在大气环境中的重要意义。

 

深紫外光电感算器件研究

 

中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授团队与复旦大学芯片与系统先进技术研究院刘琦教授团队合作，利用深紫外（DUV）光电突触结合忆阻器的构架实现了基于储备池计算（RC）的指纹识别系统。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。文章基于富镓氧化镓材料设计，利用非晶材料的显著持续光电导效应，制备了具备短时程效应的光突触器件。通过4比特的紫外光脉冲输入测试，构建了感算器件RC网络的映射关系，这可以将图片信息通过紫外光转化为特征电流值。最终，研究人员通过存算忆阻器阵列稳定的多态调控特性实现了对储备池输出的训练，实现了小规模的深紫外指纹识别功能。

 

低毒性量子点电子转移与能量转移光催化

 

中国科学院大连化学物理研究所吴凯丰研究员团队在量子点电荷/能量转移与光催化研究中取得新进展，实现一类低毒性量子点作为强还原剂和三线态敏化剂的有机光催化应用。相关成果发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）。论文制备了一类低毒性、强还原性、强敏化能力的新型量子点光敏剂，新制备的量子点的光致还原能力和三线态敏化能力强于经典的过渡金属钌、铱络合物。研究人员通过在量子点表面修饰功能化分子作为电荷或能量储存媒介，克服了量子点激发态寿命短的限制，提供了一种具有广泛应用前景的量子点光敏剂设计策略。他们发现，如果进一步拓宽底物的适用范围，可驱动更具挑战性的电荷/能量转移有机光催化反应。

 

致密双星系统的轨道偏心率“点亮”引力波“暗汽笛”

 

中国科学院理论物理研究所蔡荣根与国内外学者发现，致密双星系统轨道的偏心率对引力波作为宇宙学精确探针或许有着非凡的意义。相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。引力波作为宇宙学探针的一个典型应用是可以用来测量哈勃常数。致密双星系统的轨道偏心率被认为是了解双星系统形成机制最有力的指标之一。随着双星系统的旋进,其轨道伴随着圆化的过程。致密双星系统的轨道偏心率将暗汽笛“点亮了”。这些结果显示了致密双星系统轨道偏心率在未来引力波作为宇宙学精确探针中具有的重要意义,也显示椭圆轨道致密双星系统引力波模板构建的重要意义。

 

摩尔超晶格体系在半填充时的奇异量子输运行为

 

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心许杨、李永庆等基于半导体过渡金属硫族化合物的摩尔超晶格研究二维电子体系中的关联效应。相关成果发表于《物理评论X》（Physical Review X）。研究发现，在面外垂直方向电场的作用下，电荷出现层间转移，这一体系发生Lifshitz转变。在较高电场下，新费米面的出现抑制了Pomeranchuk效应。而在面外垂直方向磁场的作用下，这一关联金属态发生金属-绝缘体量子相变，与磁场抑制体系中的自旋涨落，从而得到一个绝缘性基态有关。在相变临界点附近，电阻随温度的变化关系满足连续量子相变标度行为。

 

新型稀土有序占位的层状化合物研究

 

东北大学崔伟斌教授课题组首次合成了一系列新型稀土有序占位的层状化合物-(Cr2/3R1/3)2AlC (R=镧系稀土原子) i-MAX相。相关成果发表于《材料学报》（Acta Materialia）。文章将稀土原子引入传统MAX相Cr2AlC化合物晶格，首次合成了一系列新型稀土有序占位的层状化合物，赋予了材料新的磁性能和显著改善的硬度、耐压强度以及耐磨等物理特性，为设计合成新型层状化合物提供了新的思路，为拓宽i-MAX相层状化合物的潜在应用领域提供了重要的理论基础。新型化合物在低温下表现出特定的磁性相转变行为，在室温和高温环境下具有高的硬度和耐压强度及优异的耐磨损性能。

 

MAX相材料辐照效应研究

 

中国科学院近代物理研究所王志光等人在MAX相材料中氦离子（He）与重离子共同辐照损伤效应研究中获得进展，研究揭示了材料中氦行为与辐照损伤的关系。相关成果发表于《欧洲陶瓷学会杂志》（Journal of the European Ceramic Society）。依托近代物理所320kV高电荷态离子综合研究平台和兰州重离子加速器（HIRFL），科研人员通过氦离子与铁（Fe）离子顺序和逆序辐照实验，模拟了堆内Ti3AlC2材料中氦的掺杂/累积和粒子辐照损伤。氦离子注入和铁离子辐照实际上互相抑制了对方对材料的辐照损伤，这种效应在材料抗辐照损伤方面将发挥积极作用。同时，研究也为深入认识Ti3AlC2材料抗辐照损伤机理提供了新的见解。

 

光伏/铁磁中的太阳光诱导三态自旋存储器

 

西安交通大学电信学部电子科学与工程学院刘明教授团队开发了光伏/铁磁异质结，引入中间缓冲层，实现了自然光对自旋翻转的非易失性调控。相关成果发表于《今日纳米》（Nano Today）。通过对电子自旋属性的调控将逻辑运算和高密度信息存储相结合，是电子信息领域的重大关键技术。当Ta为中间层时，饱和磁化强度（Ms）降低了8.3%并且展现出非易失性。这是由于Ta原子5d电子轨道具有更高的能级，会导致部分光电子停留在铁磁层中，从而实现器件的三重自旋态变化。这一设计为下一代具有快速响应和低能耗的自旋电子器件拓宽了视野与思路，对新型光伏自旋电子器件应用提供重要思路与指导意义。

 

无铅钛酸铋钠基陶瓷的构效关联研究

 

四川大学材料学院吴家刚教授团队在无铅钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷中构建了“成分”“原子尺度的有序性”“局部极性结构”“宏观性能”之间的构效关联。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。弛豫铁电体具有特殊的机电耦合响应，近年来受到越来越多的关注。在这些弛豫铁电材料中，将“原子尺度的有序性”与“局部极性结构”，以及“材料的宏观性能”合理关联是一个极大挑战。通过优化化学掺杂，使局部缺陷浓度提升进而引起局部随机场的增加，是高角度的极化偏移的主要驱动力；而由反相位的氧八面体扭转演变为A-O的多方向位移引起的各向异性场的减小，是驱使低角度的极化偏移的驱动力。

（本栏目责编：黄雪霜）