小型激光設(shè)備創(chuàng)質(zhì)子加速能量新紀(jì)錄等

小型激光設(shè)備創(chuàng)質(zhì)子加速能量新紀(jì)錄

科技日?qǐng)?bào)2024年5月14日?qǐng)?bào)道，德國(guó)亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心科學(xué)家在激光等離子體加速方面取得重大進(jìn)展。他們采用一種創(chuàng)新方法，成功將質(zhì)子能量從約80兆電子伏特提高到150兆電子伏特。這一成果大幅超越了此前的質(zhì)子加速紀(jì)錄，讓小型激光設(shè)備首次獲得迄今僅在更大型設(shè)施中才能獲得的能量水平。最新研究有望促進(jìn)醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展。相關(guān)論文發(fā)表于13日出版的《自然·物理學(xué)》雜志。

與傳統(tǒng)加速器相比，激光等離子體加速器并不依賴強(qiáng)大的無線電波推動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)，而是利用激光加速粒子。但這項(xiàng)技術(shù)目前處于研究階段，全球僅有幾個(gè)超大型激光系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)將質(zhì)子加速到100兆電子伏特的能量水平。

研究負(fù)責(zé)人蒂姆·齊格勒表示，為了使用更小激光設(shè)備以及更短脈沖實(shí)現(xiàn)類似高加速器能量，他們利用了激光閃光這一特性，即一小部分激光就像“搶跑”一樣，在特制的塑料箔內(nèi)觸發(fā)一系列復(fù)雜的加速機(jī)制。這極大地提升了名為DRACO的激光器的質(zhì)子加速能量。

研究結(jié)果顯示，DRACO激光器此前的質(zhì)子加速能量紀(jì)錄約為80兆電子伏特，現(xiàn)在能達(dá)到150兆電子伏特，幾乎是原來的兩倍。而且，加速的粒子束展現(xiàn)出高能且勻速運(yùn)動(dòng)的卓越特性。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一突破有望使小型激光等離子體加速器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，特別是在精準(zhǔn)腫瘤治療方案方面。目前醫(yī)生們主要依賴大型治療加速器開展此類研究?，F(xiàn)有的大型加速器耗電量巨大，而激光等離子體加速器可能更經(jīng)濟(jì)。激光閃光也可用來產(chǎn)生短而強(qiáng)的中子脈沖，這對(duì)科技發(fā)展以及材料分析都具有重要意義。

齊格勒表示，他們希望與其他實(shí)驗(yàn)室合作，更精確地控制加速，未來能夠?qū)崿F(xiàn)超過200兆電子伏特的質(zhì)子加速能量。

（2024年5月14日 劉霞 科技日?qǐng)?bào)）

硅芯片上可集成

最小量子光探測(cè)器

科技日?qǐng)?bào)2024年5月17日?qǐng)?bào)道，英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究人員在擴(kuò)展量子技術(shù)方面取得了重要突破。他們將世界上最小的量子光探測(cè)器集成到硅芯片上。相關(guān)研究發(fā)表在17日出版的《科學(xué)進(jìn)步》雜志上。

規(guī)?；圃旄咝阅茈娮雍凸庾訉W(xué)硬件是實(shí)現(xiàn)下一代先進(jìn)信息技術(shù)的基礎(chǔ)。然而，如果沒有真正可擴(kuò)展的量子技術(shù)硬件制造工藝，量子技術(shù)帶來的益處將無法得到完全呈現(xiàn)。

由于構(gòu)建單臺(tái)機(jī)器可能需要大量組件，因此能夠大規(guī)模制造高性能量子硬件對(duì)于量子計(jì)算來說至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員展示了一種量子光探測(cè)器。它是在一塊電路面積為80微米乘220微米的芯片上實(shí)現(xiàn)的。

至關(guān)重要的是，小尺寸意味著量子光探測(cè)器可以更快，這是解鎖高速量子通信和實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算機(jī)高速運(yùn)行的關(guān)鍵。

研究人員解釋說，這種類型的探測(cè)器被稱為零差探測(cè)器。它們能在室溫下工作，可用于量子通信、極其靈敏的傳感器（比如最先進(jìn)的引力波探測(cè)器），以及一些量子計(jì)算機(jī)中。

2021年，該團(tuán)隊(duì)展示了如何將光子芯片與單獨(dú)的電子芯片連接起來，以提高量子光探測(cè)器的速度。現(xiàn)在，他們使用單一的電子－光子集成芯片，將速度提高了10倍，同時(shí)將面積減少到原來的五十分之一。

這些探測(cè)器速度快、體積小，同時(shí)沒有喪失對(duì)量子噪聲的靈敏度，依然能非常精確地測(cè)量量子。

研究人員說，下一步，將提高新探測(cè)器的效率，并在許多不同的應(yīng)用中進(jìn)行測(cè)試。

（2024年5月17日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào)）

歐洲火星任務(wù)擬用镅作為熱源

科技日?qǐng)?bào)2024年5月22日?qǐng)?bào)道，歐洲空間局近日宣布，即將進(jìn)行的“火星太空生物”火星任務(wù)將使用一種開創(chuàng)性的核能源——镅。其反應(yīng)裝置擬利用镅的放射性衰變產(chǎn)生熱量來保持航天器溫度。這也是航天器首次將镅用于加熱裝置。

利用放射性元素衰變產(chǎn)生熱量的裝置，稱為放射性同位素加熱器單元（RHU）。將RHU安裝在航天器上，可以為航天器的各種部件和儀器提供可靠且持久的熱源，使它們?cè)诤涞奶罩斜３譁嘏?。這對(duì)于在外層空間或其他天體等極端寒冷環(huán)境下運(yùn)行的任務(wù)尤其重要，在這些極端環(huán)境中，電加熱器等傳統(tǒng)加熱方式可能無法運(yùn)作。

歐洲空間局歷來依賴美國(guó)或俄羅斯合作伙伴提供使用钚-238放射性衰變的RHU，但自2009年以來，該機(jī)構(gòu)就在制定計(jì)劃，制造放射性同位素加熱器以及電池。歐洲空間局火星探測(cè)小組組長(zhǎng)奧森·薩瑟蘭指出，這種核加熱裝置能使航天器在火山口等陰影區(qū)域或夜間保持溫暖，從而探索更廣泛區(qū)域，延長(zhǎng)任務(wù)壽命。

這次所用的RHU是世界上第一個(gè)使用镅-241（钚衰變副產(chǎn)品）的加熱裝置。盡管每克镅-241的功率低于同等質(zhì)量的钚，但镅-241更豐富、更便宜。這意味著即使RHU需要更多同位素才能運(yùn)行，其總體成本也可能更低。

制造镅RHU是“使用放射性同位素能量的歐洲設(shè)備（ENDURE）項(xiàng)目”的一部分。镅RHU將為著陸平臺(tái)中的部件加熱，而著陸平臺(tái)會(huì)將“羅莎琳德·富蘭克林”號(hào)火星車部署到火星表面?；鹦擒嚺鋫淞?米長(zhǎng)的鉆頭，可以在火星表面向下深挖，尋找火星古代生命的痕跡。

（2024年5月22日 劉霞 科技日?qǐng)?bào)）

新型黏合劑可防植入手術(shù)

形成疤痕

科技日?qǐng)?bào)2024年5月23日?qǐng)?bào)道，當(dāng)人體內(nèi)被植入像起搏器這樣的醫(yī)療設(shè)備后，通常會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)，導(dǎo)致植入物周圍形成疤痕組織。纖維化的疤痕可能會(huì)干擾設(shè)備的功能。據(jù)22日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究，美國(guó)麻省理工學(xué)院工程師找到了一種簡(jiǎn)單通用的方法：在設(shè)備上涂一層水凝膠黏合劑，就可以避免纖維化，防止設(shè)備出現(xiàn)故障。這種方法不僅可用于起搏器，還可用于輸送藥物或進(jìn)行細(xì)胞治療的植入設(shè)備。

麻省理工學(xué)院研究人員表示，人們希望研發(fā)一種讓免疫系統(tǒng)“看不見”的植入設(shè)備，同時(shí)還不妨礙其治療或診斷功能?，F(xiàn)在有了這種“隱形斗篷”，不需要額外藥物，也不需要特殊聚合物材料。

所謂“隱形斗篷”由水凝膠制成，其中的交聯(lián)聚合物是聚丙烯酸（一種吸收材料），能快速吸收濕組織中的水分。水被吸收后，嵌在聚丙烯酸中的NHS酯化學(xué)基團(tuán)就會(huì)與組織表面的蛋白質(zhì)形成牢固的鍵。這個(gè)過程只需大約5秒。

為測(cè)試這種黏合劑的效果，研究人員在一種聚氨酯設(shè)備上涂上黏合劑，將其植入大鼠的腹壁、結(jié)腸、胃、肺或心臟。幾周后取出這些設(shè)備，發(fā)現(xiàn)沒有明顯的疤痕組織。用其他動(dòng)物模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也顯示出同樣效果：無論將涂有黏合劑的設(shè)備植入何處，在長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的時(shí)間里都沒有發(fā)生纖維化。

研究人員用RNA測(cè)序和熒光成像分析了動(dòng)物的免疫反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)谝淮沃踩胗叙ず贤繉拥脑O(shè)備時(shí)，中性粒細(xì)胞等免疫細(xì)胞開始滲透到該區(qū)域，并發(fā)起攻擊。然而在疤痕組織形成之前，免疫系統(tǒng)很快就“停火”了。其他實(shí)驗(yàn)表明，黏合劑和組織之間存在某種機(jī)械相互作用，可以阻止免疫系統(tǒng)的攻擊。

（2024年5月23日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào)）

“電子蛛絲”可制成

無感傳感器

科技日?qǐng)?bào)2024年5月27日?qǐng)?bào)道，受蜘蛛絲啟發(fā)，英國(guó)劍橋大學(xué)研究人員開發(fā)出一種自適應(yīng)且環(huán)保的傳感器制作方法。這種纖維傳感器直徑約為人頭發(fā)絲的50分之一，重量極輕。無論是手指或花瓣，都可以直接在其表面無感印刷。這種低能耗、低排放的增強(qiáng)型生物結(jié)構(gòu)新方法，在醫(yī)療保健、虛擬現(xiàn)實(shí)、電子紡織品以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。研究結(jié)果發(fā)表在最新一期《自然·電子》雜志上。

制造可穿戴傳感器的方法有多種，但這些方法都有局限性。受到蜘蛛絲啟發(fā)，劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用3D打印開發(fā)出一種制造高性能生物電子產(chǎn)品的新方法。

研究人員利用PEDOT∶PSS（一種生物相容的導(dǎo)電聚合物）、透明質(zhì)酸和聚環(huán)氧乙烷，紡制出“電子蛛絲”。這種高性能纖維是在室溫下從水基溶液中制造出來的，使研究人員能夠控制纖維的“可紡性”。隨后，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種軌道紡絲方法，可將纖維轉(zhuǎn)移到生物體表面，甚至是微觀結(jié)構(gòu)上。

在包括人類指紋和蒲公英蓬松冠毛種子頭在內(nèi)的表面上，研究人員進(jìn)行的生物電子纖維測(cè)試表明，“電子蛛絲”提供了高質(zhì)量傳感器的性能。

與傳統(tǒng)的高分辨率傳感器相比，這些新傳感器可以在任何地方制造，且耗能僅為普通傳感器所需能量的一小部分。當(dāng)這些可修復(fù)的生物電子纖維達(dá)到其使用壽命后，只需簡(jiǎn)單地清洗，產(chǎn)生的廢物不到一毫克。相比之下，一次洗衣過程可能會(huì)產(chǎn)生600至1500毫克的纖維廢物。

（2024年5月27日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào)）

新型生物抑菌劑可防治

“植物癌癥”

科技日?qǐng)?bào)2024年5月14日?qǐng)?bào)道，從天津大學(xué)獲悉，該校藥學(xué)院高文遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)黃芪根腐病研發(fā)出一種新型生物抑菌劑。該抑菌劑不僅能抑制有“植物癌癥”之稱的根腐病，還能促進(jìn)黃芪生長(zhǎng)代謝。2024年4月15日，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊《化學(xué)工程雜志》上。

黃芪素有“補(bǔ)藥之長(zhǎng)”美譽(yù)，被《本草綱目》譽(yù)為藥材上品。而由多種致病菌復(fù)合侵染引起的根腐病，極大影響了黃芪種植。研究表明，在低洼排水不良的地塊，黃芪根腐病發(fā)病率為32％～41％，重病田達(dá)55％。

種植抗病品種、使用傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥等方法，存在選育周期長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境和人體危害大等問題。因此，開發(fā)一種環(huán)境友好、性價(jià)比高的黃芪根腐病生物防治技術(shù)，對(duì)我國(guó)黃芪產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。

針對(duì)黃芪根腐病問題，作為國(guó)家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家的高文遠(yuǎn)與團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型生物抑菌劑。該抑菌劑不僅能作為抗真菌劑抑制根腐病，還能促進(jìn)黃芪生長(zhǎng)代謝。機(jī)理研究表明，這種新型抑菌劑可通過抑制尖孢鐮刀菌生長(zhǎng)基因、刺激黃芪產(chǎn)生抑菌成分、激活黃芪抗性基因等方式發(fā)揮抑菌作用，可作為傳統(tǒng)農(nóng)藥的替代品，在植物保護(hù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。

“我們的新型抑菌劑與目前市售農(nóng)藥效果相當(dāng)，但成本更低，也更加環(huán)保?！眻F(tuán)隊(duì)主要成員、天津大學(xué)藥學(xué)院副教授王娟表示，“接下來，我們會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化成本，并計(jì)劃與天津大學(xué)對(duì)口支援的甘肅宕昌縣黃芪基地開展合作，考察示范效果，實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用?！?/p>

（2024年5月14日 陳曦 焦德芳 王欣睿 科技日?qǐng)?bào)）

我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系暈里存在巨大磁環(huán)

科技日?qǐng)?bào)2024年5月14日?qǐng)?bào)道，從中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)獲悉，通過分析銀河系內(nèi)的脈沖星和銀河系外的射電源相關(guān)數(shù)據(jù)，該臺(tái)科研人員發(fā)現(xiàn)銀河系暈中有一個(gè)巨大的磁環(huán)。這為宇宙線粒子傳播、星系氣體動(dòng)力學(xué)和宇宙磁場(chǎng)演化等研究領(lǐng)域提供了至關(guān)重要的觀測(cè)結(jié)果。相關(guān)成果10日在線發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》。

宇宙磁場(chǎng)的起源和演化，是天體物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的重大難題。世界各大射電望遠(yuǎn)鏡都在發(fā)展和提升偏振測(cè)量能力，希望解決這一難題。其中的一項(xiàng)重要工作是測(cè)量銀河系大尺度磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員韓金林之前曾測(cè)量出銀河系盤區(qū)存在一個(gè)大尺度磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。但銀暈磁環(huán)結(jié)構(gòu)的大小和強(qiáng)度一直沒有測(cè)出。

此次，科研人員創(chuàng)新性提出，將太陽附近的脈沖星法拉第旋轉(zhuǎn)率測(cè)量值作為本地星際介質(zhì)的貢獻(xiàn)，從銀河系外射電源法拉第效應(yīng)的分布數(shù)值中扣除，從而得到巨大銀暈的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)分布。

韓金林介紹，他們利用收集的相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)銀暈中的磁環(huán)從離銀河系中心6000光年一直延伸到5萬光年，太陽附近局部區(qū)域的星際介質(zhì)也是這個(gè)巨大磁環(huán)的一部分。

（2024年5月14日 陸成寬 科技日?qǐng)?bào)）

新算法實(shí)現(xiàn)人工智能

多模態(tài)信息“去偽存真”

科技日?qǐng)?bào)2024年5月18日?qǐng)?bào)道，從西安電子科技大學(xué)獲悉，由該校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授趙偉領(lǐng)銜的智能媒體計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)，通過數(shù)據(jù)可信重建以及弱監(jiān)督深度學(xué)習(xí)框架，破解了數(shù)據(jù)質(zhì)量低及標(biāo)注數(shù)據(jù)稀缺難題，進(jìn)一步揭示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策機(jī)制，有效提升了現(xiàn)有可信人工智能方法的魯棒性、可解釋性和安全性。相關(guān)論文《可信沖突多模態(tài)學(xué)習(xí)算法》日前獲國(guó)際人工智能領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議AAAI 2024杰出論文獎(jiǎng)。

人工智能已經(jīng)日益深入人們生活。在醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等復(fù)雜場(chǎng)景中，人工智能對(duì)決策任務(wù)的誤判可能造成重大損失。傳統(tǒng)可信人工智能多關(guān)注單模態(tài)數(shù)據(jù)，無法滿足實(shí)際場(chǎng)景中多模態(tài)數(shù)據(jù)分析決策需求，單模態(tài)數(shù)據(jù)有限的信息量導(dǎo)致單模態(tài)智能可信度存在瓶頸。

為此，團(tuán)隊(duì)打破單模態(tài)數(shù)據(jù)思路，提出沖突多模態(tài)學(xué)習(xí)算法，并通過數(shù)據(jù)可信重建以及弱監(jiān)督深度學(xué)習(xí)框架算法，實(shí)現(xiàn)了證據(jù)層面的沖突多模態(tài)數(shù)據(jù)可信融合。這能在提升人工智能決策性能的同時(shí)，可靠地度量決策置信度。此外，團(tuán)隊(duì)從理論上證明，該方法能夠量化沖突模態(tài)帶來的負(fù)面影響。這有利于解決當(dāng)前研究面臨的數(shù)據(jù)質(zhì)量低、決策不可信等難題，為后續(xù)研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

團(tuán)隊(duì)成員徐偲副教授解釋，這種算法在給出置信度的同時(shí)，還會(huì)給出多模態(tài)數(shù)據(jù)的沖突度，實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)信息的“去偽存真”。若置信度不高且沖突度較高時(shí)，人工智能的決策便明顯不太可信。

（2024年5月18日 史俊斌 科技日?qǐng)?bào)）

“防護(hù)衣”保障鋰電池-79℃

低溫環(huán)境高效放電

科技日?qǐng)?bào)2024年5月23日?qǐng)?bào)道，從清華大學(xué)獲悉，該?；瘜W(xué)工程系劉凱課題組摒棄傳統(tǒng)電解液設(shè)計(jì)方式，研發(fā)出電場(chǎng)輔助超分子自組裝層技術(shù)。該技術(shù)仿佛給鋰電池穿上一個(gè)穿脫自如的智能防護(hù)衣，有望解決電動(dòng)車冬季“趴窩”問題。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上。

鋰離子電池因壽命長(zhǎng)、比容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上有廣泛應(yīng)用。然而，其在低溫下性能下降的問題一直未能徹底解決，導(dǎo)致冬天手機(jī)“凍”關(guān)機(jī)、電動(dòng)車“趴窩”等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

論文第一作者、清華大學(xué)化學(xué)工程系博士后章偉立介紹，當(dāng)電池需要工作時(shí)，“防護(hù)衣”會(huì)自動(dòng)套在鋰電池表面，形成一層致密的保護(hù)膜，不僅能防止電解液在高電壓下分解，還能加速鋰離子的傳輸，使電池在低溫下也能高效工作。當(dāng)電池不工作時(shí)，“防護(hù)衣”又能自動(dòng)脫下，讓電池恢復(fù)到常規(guī)狀態(tài)?！霸凇雷o(hù)衣’作用下，鋰金屬電池在-79℃的低溫條件下仍可高效放電?！彼f。

此外，該技術(shù)還將大大提升無人機(jī)性能。無人機(jī)等電動(dòng)航空器對(duì)電池高比能、高功率和安全性提出了更高要求，特別是在嚴(yán)寒低溫環(huán)境下飛行時(shí)，容易出現(xiàn)電壓驟降、飛行動(dòng)力不足，甚至墜機(jī)等情況。造成這些問題的“罪魁禍?zhǔn)住笔请娊庖?。傳統(tǒng)電解液低溫下容易凝固，在電極之間的“穿梭”變得困難，特別是當(dāng)鋰離子從電解液到電極進(jìn)行“跳躍”時(shí)阻力很大。

“電場(chǎng)輔助超分子自組裝層技術(shù)通過在電極表面上‘穿衣’，可以作為跳板，輔助加速鋰離子從電解液到電極的傳遞，從而提升鋰電池在低溫下的續(xù)航里程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)使無人機(jī)在-40℃也能高效飛行?！眲P表示，這一技術(shù)突破為寒冷地區(qū)的綠色出行和低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了新動(dòng)力。

（2024年5月23日 姜靖 科技日?qǐng)?bào)）