简讯

清华大学团队在纳米结构表面实现稳定的结构超滑

近日，清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士团队在结构超滑技术相关研究领域取得重要进展，该研究采用巧妙的试验设计，通过在转移至纳米结构表面上的单晶石墨片中心施加集中力，实现石墨片边缘的翘曲，消除石墨片边缘与基板之间的强相互作用，进而在大气环境下实现了微米级石墨薄片和纳米结构硅表面之间稳健的结构超滑状态。研究不仅挑战了摩擦学和结构超滑的传统理解，即较粗糙的表面会导致更高的摩擦并导致磨损，而且还证明了具有单晶表面的石墨片在无边缘接触的条件下，可与任何非范德瓦尔斯材料实现稳健的结构超滑状态。此外，该研究提供了一种通用的表面改性方法，推动结构超滑技术在大气环境中得以广泛应用。

摩擦和磨损是自然界耦合在一起的两种基本物理现象，在机械系统中造成了巨大的能源浪费、环境污染和部件故障，导致一大批关键技术难以攻克。而在微观世界中，基于尺度效应，界面摩擦和磨损将成为与其他效应相比最重要的问题之一，从而导致器件极其容易失效，可靠性低，难以走向批量化应用。虽然有机油等液体润滑剂在实际应用中对摩擦磨损有很大的抑制作用，但在强约束和极端外部条件下，液体润滑将会失效。并且，基于液体内部剪切的润滑由于在纳米尺度上黏度会大大增加，也会导致失效，这将很难应用于微观场景。因此，解决上述问题需要一种从本质物理特性上减少摩擦、消除磨损的有效技术，而不是引入其他间接物质作为摩擦副。

结构超滑指两个完全接触的固体表面在滑动过程中，保持摩擦力几乎为0和零磨损的状态，为上述挑战提供了一种颠覆性的解决方案。2012 年郑泉水院士团队第一次在大气环境中以每秒量级的速度实现了微米尺度结构超滑，开创了结构超滑技术。随后，团队对高速结构超滑（达到293）的探索进一步激发了学术研究领域和实际应用领域的广泛兴趣。这些应用包括基于结构超滑技术的超级微发电机和电致弹簧谐振器，展示了结构超滑技术的多种潜力。在深圳市政府和深圳市坪山区政府资助下，郑泉水院士团队建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所。

该研究以Robust microscale structural superlubricity between graphite and nanostructured surface为题，在线发表于Nature Communications。

左图为超滑石墨片和两种硅表面的摩擦力测量。

（本刊记者 良辰）

国家纳米中心等在微纳制造方法研究中获进展

随着各种新型器件和结构的出现，常规的微纳加工方法已无法完全满足需要，激发了人们探索更高性价比、更强加工能力的非常规加工方法。中国科学院国家纳米科学中心刘前团队基于自主开发的新概念激光直写设备，开发出多种非常规加工方法。近日，该团队在物理不可复制功能（PUF）防伪标签研究中取得新进展。相关研究成果以Random fractal-enabled physical unclonable functions with dynamic AI authentication为题，在线发表在Nature Communications上。

当前，传统防伪标签因其确定性的构筑模式在自身安全性上面临挑战。PUF 标识本征的唯一性和不可预测性可作为商品的“指纹”秘钥，从根本上遏制标签自身被伪造的可能。

此外，这种PUF 制作与微电子工艺流程高度兼容，有望与元器件同时集成并完成元件单元的真实性验证。

该工作由国家纳米中心、北京航空航天大学和德国卡尔斯鲁厄理工学院合作完成。下图为PUF的制作流程及表征。

（本刊记者 良辰）

中国科大等实现超越海森堡极限精度的量子精密测量

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子精密测量的研究中取得重要进展。该团队李传锋、陈耕等与香港大学合作，利用量子不确定因果序实现了超越海森堡极限精度的量子精密测量。2023 年5 月1 日，相 关研究成果以Experimental super-Heisenberg quantum metrology with indefinite gate order为题，发表在《自然·物理》上。

近年来，学术界提出了一种新的量子结构即量子不确定因果序。量子力学的叠加原理允许不同量子本征态之间的叠加，并允许两个事件处于两个相反时序的量子叠加上。这一新型的量子资源已被证实可以在特定的量子计算和量子通信任务中提供优势，而此前工作均基于离散变量体系，未直接应用于量子精密测量任务中。

李传锋、陈耕等设计了一种全新的杂化（hybrid）量子装置，即用一个离散量子比特控制光子两组连续变量的演化时序，试验实现了不确定因果序，从而实现了对演化产生的几何相位的超海森堡极限的精密测量，即测量的不确定度反比于独立演化过程的次数的平方。试验结果表明，这一新方法在试验演示的范围内获得了对确定因果序方法理论上的最高测量精度，即海森堡极限的绝对优势，试验结果逼近了理论上的超海森堡极限。

该试验使用单个光子作为探针，不存在光子间的相互作用，且单次测量所需要的能量不超过单个光子的能量，从而实现了首个在规范化资源定义下超越海森堡极限的试验工作。试验实现的相对于确定因果序方法的提升可以直接转化为在实际测量任务中的现实优势。

（本刊记者 良辰）

哈工大团队揭示高速冲击下二维共价有机框架的力学响应机制

近日，哈工大航天学院赫晓东、王超教授团队从理论上揭示了共价有机框架材料在极端动力学加载条件下的力学行为与失效机制，从根本上阐释高速冲击过程其能量耗散机制，为新一代轻质高强冲击防护材料的设计与开发奠定了理论基础。相关研究成果以Multiple impactresistant 2D covalentorganic framework为题发表在Nano Letters上。

二维共价有机框架（COF）作为一类新兴的长程有序的晶态有机聚合物，具有轻质、高强、永久开放的孔道结构和优异的结构功能可设计性等优势，在催化、能量储存、气体吸附、药物输送、传感器和光电器件等领域受到广泛的关注。然而，目前对其高速冲击下力学响应机制的研究鲜有报道，这对于新一代纳米冲击防护材料的结构设计和工程应用至关重要。

针对这一难题，赫晓东、王超教授团队利用大尺度分子动力学方法，探索了在高速冲击下二维共价有机框架的力学行为与失效机制。该研究从原子尺度观察到二维共价有机框架结构的超大变形能力，以及局部聚合物链结构独特的扭转耗能机制，能显著促进冲击动能耗散。同时，研究发现二维共价有机框架的比穿透能远高于钢、凯夫拉等传统抗冲击材料，可变形的纳米框架结构能有效地抑制裂纹的扩展，相比于石墨烯等脆性高强度材料，其缺陷不敏感性极大提升了二维共价有机框架抵抗多次冲击时的可靠性，这对于冲击防护材料的安全性与重复利用具有重要的现实意义，为下一代抗冲击高性能聚合物的设计开发提供了新思路。

上图为二维共价有机框架抗冲击示意图。

（本刊记者 良辰）

上海光机所在特殊波长的飞秒超快光纤激光器研制方面获进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室在特殊波长的飞秒超快光纤激光器研制方向取得重要进展。该团队首次报道了一种基于色散管理、全保偏九字腔的978 nm 飞秒掺镱光纤激光器。相关研究成果以Generation of 978 nm dispersionmanaged solitons from a polarization-maintaining Yb-doped figure-of-9 fiber laser为题，发表在Optics Letters上。

978 nm 掺镱飞秒锁模光纤激光器因独特的应用价值而备受关注。然而，由于Yb3+在978 nm 波长附近的吸收截面近似等于发射截面，为了在这个波长获得高性能激光输出，必须克服978 nm 处的激光自吸收和1030 nm 附近的放大自发辐射（ASE）等问题。此外，Yb3+在978 nm 附近的增益带宽相对较窄，这进一步增加了在该波长下获得飞秒激光脉冲的难度。因此，与1 μm以上的传统掺镱锁模光纤激光器相比，实现这种978 nm 的飞秒光纤激光器面临着更大挑战。

针对上述问题，研究团队采用基于九字腔结构的非线性放大环镜（NALM）技术实现了978 nm 处色散管理孤子的稳定输出。试验中，通过控制激光腔内各色散元件的参数有效地管理了腔内总色散，并引入滤波器来抑制1030 nm 的ASE，最终获得了具有14.4 nm 光谱带宽和175 fs 的高相干激光脉冲。此外，激光腔由全保偏光纤器件组成，能够有效抗温度、振动等环境扰动，确保了锁模脉冲的长期稳定性。数值模拟结果表明，978 nm 色散管理孤子的光谱宽度主要受限于Yb3+在相关波长附近的增益带宽。未来，可以利用非线性效应在腔外进一步展宽光谱，从而在这个特殊波长实现更窄脉宽的激光输出。该研究实现的978 nm 锁模脉冲是迄今为止报道的相关波长超快光纤激光器中能够输出的最短脉冲，在水下通信和太赫兹波产生等领域具有良好的应用前景。

左图为978 nm九字腔色散管理孤子光纤激光器试验装置图。

（本刊记者 良辰）

中科院理化所在飞秒激光直写双刺激协同响应的水凝胶微致动器研究方面取得进展

目前，微加工技术已经将响应型水凝胶致动器的尺寸缩小到微米级。然而，如何在微尺度下构建能够对复杂的微环境进行多重响应的水凝胶微致动器仍然是一个挑战。

近日，中国科学院理化技术研究所研究员郑美玲团队在双刺激协同响应的水凝胶微致动器的研究工作中取得进展。团队通过非对称飞秒激光直写加工制备了一种双刺激协同响应的水凝胶微致动器。该水凝胶微结构对pH/温度的双重协同响应是通过添加功能单体2-（二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯实现的。通过水凝胶微结构的拉曼光谱分析，解释了不同pH 和温度下协同响应的产生机制，并且展示了由pH 或温度控制的聚苯乙烯微球的捕获。该研究为设计和制造可控的微尺度致动器提供了一种策略，并在微机器人和微流体中具有应用前景。研究成果发表于Small。

飞秒激光直写加工技术由于具有超高的空间分辨率、三维加工能力和无须实体掩膜等特点，被用于制备各种三维微结构。研究人员利用含有功能单体的光刻胶，通过调整激光功率、扫描速度和扫描策略实现了具有不对称交联密度的双重响应水凝胶微结构的制备。

进一步地，研究人员制备了含有3 个不对称微臂的微致动器来提高对不同环境的刺激响应能力。该微致动器由3 个交联密度交替分布的微臂组成。为了更加方便地展示水凝胶微致动器在不同温度及pH 条件下的可控性，研究还使用了直径10μm 的聚苯乙烯微球作为目标颗粒在不同条件下进行捕获。

双刺激协同响应特性的微致动器具有更为丰富的形状变化，是由温度升高时的氢键断裂与酸性条件下叔胺基的质子化同时作用产生的。该研究提出的双重刺激协同响应特性相较于单一响应刺激赋予了微制动器更大的可操控性，这一特性使其在微操纵和微型软体机器人方面具有潜在应用。下图为双刺激协同响应型水凝胶微致动器的制备与响应机制。 （本刊记者 良辰）