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清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在納米結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)超滑

近日，清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)在結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該研究采用巧妙的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)在轉(zhuǎn)移至納米結(jié)構(gòu)表面上的單晶石墨片中心施加集中力，實(shí)現(xiàn)石墨片邊緣的翹曲，消除石墨片邊緣與基板之間的強(qiáng)相互作用，進(jìn)而在大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)石墨薄片和納米結(jié)構(gòu)硅表面之間穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)。研究不僅挑戰(zhàn)了摩擦學(xué)和結(jié)構(gòu)超滑的傳統(tǒng)理解，即較粗糙的表面會(huì)導(dǎo)致更高的摩擦并導(dǎo)致磨損，而且還證明了具有單晶表面的石墨片在無(wú)邊緣接觸的條件下，可與任何非范德瓦爾斯材料實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)超滑狀態(tài)。此外，該研究提供了一種通用的表面改性方法，推動(dòng)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)在大氣環(huán)境中得以廣泛應(yīng)用。

摩擦和磨損是自然界耦合在一起的兩種基本物理現(xiàn)象，在機(jī)械系統(tǒng)中造成了巨大的能源浪費(fèi)、環(huán)境污染和部件故障，導(dǎo)致一大批關(guān)鍵技術(shù)難以攻克。而在微觀世界中，基于尺度效應(yīng)，界面摩擦和磨損將成為與其他效應(yīng)相比最重要的問(wèn)題之一，從而導(dǎo)致器件極其容易失效，可靠性低，難以走向批量化應(yīng)用。雖然有機(jī)油等液體潤(rùn)滑劑在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)摩擦磨損有很大的抑制作用，但在強(qiáng)約束和極端外部條件下，液體潤(rùn)滑將會(huì)失效。并且，基于液體內(nèi)部剪切的潤(rùn)滑由于在納米尺度上黏度會(huì)大大增加，也會(huì)導(dǎo)致失效，這將很難應(yīng)用于微觀場(chǎng)景。因此，解決上述問(wèn)題需要一種從本質(zhì)物理特性上減少摩擦、消除磨損的有效技術(shù)，而不是引入其他間接物質(zhì)作為摩擦副。

結(jié)構(gòu)超滑指兩個(gè)完全接觸的固體表面在滑動(dòng)過(guò)程中，保持摩擦力幾乎為0和零磨損的狀態(tài)，為上述挑戰(zhàn)提供了一種顛覆性的解決方案。2012 年鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)第一次在大氣環(huán)境中以每秒量級(jí)的速度實(shí)現(xiàn)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑，開(kāi)創(chuàng)了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)。隨后，團(tuán)隊(duì)對(duì)高速結(jié)構(gòu)超滑（達(dá)到293）的探索進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛興趣。這些應(yīng)用包括基于結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的超級(jí)微發(fā)電機(jī)和電致彈簧諧振器，展示了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的多種潛力。在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府資助下，鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)建立了全球第一個(gè)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究機(jī)構(gòu)——深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所。

該研究以Robust microscale structural superlubricity between graphite and nanostructured surface為題，在線發(fā)表于Nature Communications。

左圖為超滑石墨片和兩種硅表面的摩擦力測(cè)量。

（本刊記者 良辰）

國(guó)家納米中心等在微納制造方法研究中獲進(jìn)展

隨著各種新型器件和結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，常規(guī)的微納加工方法已無(wú)法完全滿足需要，激發(fā)了人們探索更高性價(jià)比、更強(qiáng)加工能力的非常規(guī)加工方法。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心劉前團(tuán)隊(duì)基于自主開(kāi)發(fā)的新概念激光直寫設(shè)備，開(kāi)發(fā)出多種非常規(guī)加工方法。近日，該團(tuán)隊(duì)在物理不可復(fù)制功能（PUF）防偽標(biāo)簽研究中取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Random fractal-enabled physical unclonable functions with dynamic AI authentication為題，在線發(fā)表在Nature Communications上。

當(dāng)前，傳統(tǒng)防偽標(biāo)簽因其確定性的構(gòu)筑模式在自身安全性上面臨挑戰(zhàn)。PUF 標(biāo)識(shí)本征的唯一性和不可預(yù)測(cè)性可作為商品的“指紋”秘鑰，從根本上遏制標(biāo)簽自身被偽造的可能。

此外，這種PUF 制作與微電子工藝流程高度兼容，有望與元器件同時(shí)集成并完成元件單元的真實(shí)性驗(yàn)證。

該工作由國(guó)家納米中心、北京航空航天大學(xué)和德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院合作完成。下圖為PUF的制作流程及表征。

（本刊記者 良辰）

中國(guó)科大等實(shí)現(xiàn)超越海森堡極限精度的量子精密測(cè)量

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子精密測(cè)量的研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、陳耕等與香港大學(xué)合作，利用量子不確定因果序?qū)崿F(xiàn)了超越海森堡極限精度的量子精密測(cè)量。2023 年5 月1 日，相 關(guān)研究成果以Experimental super-Heisenberg quantum metrology with indefinite gate order為題，發(fā)表在《自然·物理》上。

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出了一種新的量子結(jié)構(gòu)即量子不確定因果序。量子力學(xué)的疊加原理允許不同量子本征態(tài)之間的疊加，并允許兩個(gè)事件處于兩個(gè)相反時(shí)序的量子疊加上。這一新型的量子資源已被證實(shí)可以在特定的量子計(jì)算和量子通信任務(wù)中提供優(yōu)勢(shì)，而此前工作均基于離散變量體系，未直接應(yīng)用于量子精密測(cè)量任務(wù)中。

李傳鋒、陳耕等設(shè)計(jì)了一種全新的雜化（hybrid）量子裝置，即用一個(gè)離散量子比特控制光子兩組連續(xù)變量的演化時(shí)序，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了不確定因果序，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)演化產(chǎn)生的幾何相位的超海森堡極限的精密測(cè)量，即測(cè)量的不確定度反比于獨(dú)立演化過(guò)程的次數(shù)的平方。試驗(yàn)結(jié)果表明，這一新方法在試驗(yàn)演示的范圍內(nèi)獲得了對(duì)確定因果序方法理論上的最高測(cè)量精度，即海森堡極限的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果逼近了理論上的超海森堡極限。

該試驗(yàn)使用單個(gè)光子作為探針，不存在光子間的相互作用，且單次測(cè)量所需要的能量不超過(guò)單個(gè)光子的能量，從而實(shí)現(xiàn)了首個(gè)在規(guī)范化資源定義下超越海森堡極限的試驗(yàn)工作。試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的相對(duì)于確定因果序方法的提升可以直接轉(zhuǎn)化為在實(shí)際測(cè)量任務(wù)中的現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)。

（本刊記者 良辰）

哈工大團(tuán)隊(duì)揭示高速?zèng)_擊下二維共價(jià)有機(jī)框架的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制

近日，哈工大航天學(xué)院赫曉東、王超教授團(tuán)隊(duì)從理論上揭示了共價(jià)有機(jī)框架材料在極端動(dòng)力學(xué)加載條件下的力學(xué)行為與失效機(jī)制，從根本上闡釋高速?zèng)_擊過(guò)程其能量耗散機(jī)制，為新一代輕質(zhì)高強(qiáng)沖擊防護(hù)材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以Multiple impactresistant 2D covalentorganic framework為題發(fā)表在Nano Letters上。

二維共價(jià)有機(jī)框架（COF）作為一類新興的長(zhǎng)程有序的晶態(tài)有機(jī)聚合物，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、永久開(kāi)放的孔道結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)功能可設(shè)計(jì)性等優(yōu)勢(shì)，在催化、能量?jī)?chǔ)存、氣體吸附、藥物輸送、傳感器和光電器件等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。然而，目前對(duì)其高速?zèng)_擊下力學(xué)響應(yīng)機(jī)制的研究鮮有報(bào)道，這對(duì)于新一代納米沖擊防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用至關(guān)重要。

針對(duì)這一難題，赫曉東、王超教授團(tuán)隊(duì)利用大尺度分子動(dòng)力學(xué)方法，探索了在高速?zèng)_擊下二維共價(jià)有機(jī)框架的力學(xué)行為與失效機(jī)制。該研究從原子尺度觀察到二維共價(jià)有機(jī)框架結(jié)構(gòu)的超大變形能力，以及局部聚合物鏈結(jié)構(gòu)獨(dú)特的扭轉(zhuǎn)耗能機(jī)制，能顯著促進(jìn)沖擊動(dòng)能耗散。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)二維共價(jià)有機(jī)框架的比穿透能遠(yuǎn)高于鋼、凱夫拉等傳統(tǒng)抗沖擊材料，可變形的納米框架結(jié)構(gòu)能有效地抑制裂紋的擴(kuò)展，相比于石墨烯等脆性高強(qiáng)度材料，其缺陷不敏感性極大提升了二維共價(jià)有機(jī)框架抵抗多次沖擊時(shí)的可靠性，這對(duì)于沖擊防護(hù)材料的安全性與重復(fù)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，為下一代抗沖擊高性能聚合物的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了新思路。

上圖為二維共價(jià)有機(jī)框架抗沖擊示意圖。

（本刊記者 良辰）

上海光機(jī)所在特殊波長(zhǎng)的飛秒超快光纖激光器研制方面獲進(jìn)展

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率光纖激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在特殊波長(zhǎng)的飛秒超快光纖激光器研制方向取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了一種基于色散管理、全保偏九字腔的978 nm 飛秒摻鐿光纖激光器。相關(guān)研究成果以Generation of 978 nm dispersionmanaged solitons from a polarization-maintaining Yb-doped figure-of-9 fiber laser為題，發(fā)表在Optics Letters上。

978 nm 摻鐿飛秒鎖模光纖激光器因獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值而備受關(guān)注。然而，由于Yb3+在978 nm 波長(zhǎng)附近的吸收截面近似等于發(fā)射截面，為了在這個(gè)波長(zhǎng)獲得高性能激光輸出，必須克服978 nm 處的激光自吸收和1030 nm 附近的放大自發(fā)輻射（ASE）等問(wèn)題。此外，Yb3+在978 nm 附近的增益帶寬相對(duì)較窄，這進(jìn)一步增加了在該波長(zhǎng)下獲得飛秒激光脈沖的難度。因此，與1 μm以上的傳統(tǒng)摻鐿鎖模光纖激光器相比，實(shí)現(xiàn)這種978 nm 的飛秒光纖激光器面臨著更大挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用基于九字腔結(jié)構(gòu)的非線性放大環(huán)鏡（NALM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了978 nm 處色散管理孤子的穩(wěn)定輸出。試驗(yàn)中，通過(guò)控制激光腔內(nèi)各色散元件的參數(shù)有效地管理了腔內(nèi)總色散，并引入濾波器來(lái)抑制1030 nm 的ASE，最終獲得了具有14.4 nm 光譜帶寬和175 fs 的高相干激光脈沖。此外，激光腔由全保偏光纖器件組成，能夠有效抗溫度、振動(dòng)等環(huán)境擾動(dòng)，確保了鎖模脈沖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，978 nm 色散管理孤子的光譜寬度主要受限于Yb3+在相關(guān)波長(zhǎng)附近的增益帶寬。未來(lái)，可以利用非線性效應(yīng)在腔外進(jìn)一步展寬光譜，從而在這個(gè)特殊波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)更窄脈寬的激光輸出。該研究實(shí)現(xiàn)的978 nm 鎖模脈沖是迄今為止報(bào)道的相關(guān)波長(zhǎng)超快光纖激光器中能夠輸出的最短脈沖，在水下通信和太赫茲波產(chǎn)生等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

左圖為978 nm九字腔色散管理孤子光纖激光器試驗(yàn)裝置圖。

（本刊記者 良辰）

中科院理化所在飛秒激光直寫雙刺激協(xié)同響應(yīng)的水凝膠微致動(dòng)器研究方面取得進(jìn)展

目前，微加工技術(shù)已經(jīng)將響應(yīng)型水凝膠致動(dòng)器的尺寸縮小到微米級(jí)。然而，如何在微尺度下構(gòu)建能夠?qū)?fù)雜的微環(huán)境進(jìn)行多重響應(yīng)的水凝膠微致動(dòng)器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員鄭美玲團(tuán)隊(duì)在雙刺激協(xié)同響應(yīng)的水凝膠微致動(dòng)器的研究工作中取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過(guò)非對(duì)稱飛秒激光直寫加工制備了一種雙刺激協(xié)同響應(yīng)的水凝膠微致動(dòng)器。該水凝膠微結(jié)構(gòu)對(duì)pH/溫度的雙重協(xié)同響應(yīng)是通過(guò)添加功能單體2-（二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)水凝膠微結(jié)構(gòu)的拉曼光譜分析，解釋了不同pH 和溫度下協(xié)同響應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，并且展示了由pH 或溫度控制的聚苯乙烯微球的捕獲。該研究為設(shè)計(jì)和制造可控的微尺度致動(dòng)器提供了一種策略，并在微機(jī)器人和微流體中具有應(yīng)用前景。研究成果發(fā)表于Small。

飛秒激光直寫加工技術(shù)由于具有超高的空間分辨率、三維加工能力和無(wú)須實(shí)體掩膜等特點(diǎn)，被用于制備各種三維微結(jié)構(gòu)。研究人員利用含有功能單體的光刻膠，通過(guò)調(diào)整激光功率、掃描速度和掃描策略實(shí)現(xiàn)了具有不對(duì)稱交聯(lián)密度的雙重響應(yīng)水凝膠微結(jié)構(gòu)的制備。

進(jìn)一步地，研究人員制備了含有3 個(gè)不對(duì)稱微臂的微致動(dòng)器來(lái)提高對(duì)不同環(huán)境的刺激響應(yīng)能力。該微致動(dòng)器由3 個(gè)交聯(lián)密度交替分布的微臂組成。為了更加方便地展示水凝膠微致動(dòng)器在不同溫度及pH 條件下的可控性，研究還使用了直徑10μm 的聚苯乙烯微球作為目標(biāo)顆粒在不同條件下進(jìn)行捕獲。

雙刺激協(xié)同響應(yīng)特性的微致動(dòng)器具有更為豐富的形狀變化，是由溫度升高時(shí)的氫鍵斷裂與酸性條件下叔胺基的質(zhì)子化同時(shí)作用產(chǎn)生的。該研究提出的雙重刺激協(xié)同響應(yīng)特性相較于單一響應(yīng)刺激賦予了微制動(dòng)器更大的可操控性，這一特性使其在微操縱和微型軟體機(jī)器人方面具有潛在應(yīng)用。下圖為雙刺激協(xié)同響應(yīng)型水凝膠微致動(dòng)器的制備與響應(yīng)機(jī)制。 （本刊記者 良辰）