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衍射门控超高速测绘相机面世速度达每秒480万帧成本降低九成

科技日报2023 年9 月18 日报道，要捕捉快速运动的清晰图像，比如落下的水滴或分子相互作用，需每秒可采集数百万张图像的超快相机，这种相机非常昂贵。在最新发表于《光学》杂志的一篇论文中，加拿大科学家开发出一种新型相机，能以更便宜的方式来实现超快成像，适用于实时监测药物输送、自动驾驶的高速激光雷达系统等多种应用。

加拿大国家科学研究所、康科迪亚大学和元宇宙平台公司联合研制的这种新型衍射门控实时超高速测绘（DRUM）相机，可捕获每秒480 万帧的单次曝光动态事件。他们通过对飞秒激光脉冲与生物样品中的液体相互作用及激光烧蚀的快速动态进行成像，展示了这种能力。

研究人员开发了一种新的时间选通方法，称为时变光学衍射。相机使用门来控制光线何时照射到传感器。在时间选通中，传感器读出图像之前，门会快速连续打开和关闭一定次数。这会捕捉一个场景的高速短片。

考虑到光的时空二象性，研究人员想出了如何利用光衍射来完成时间选通。快速改变衍射光栅上周期性面的倾斜角度，可生成沿不同方向传播的入射光的多个副本，提供一种扫描不同空间位置以在不同时间点排除帧的方法。然后可将这些帧组合在一起形成一部超快电影。

研究人员使用数字微镜器件以非常规方式完成了这种类型的扫描衍射门。他们创建了一个序列深度为7 帧的DRUM 摄像机，并用它记录了激光与蒸馏水的相互作用。

新相机的成像速度和空间分辨率与商用高速相机相似，但它使用了现成的组件，成本不到当今超快相机的1/10，而超快相机的起价接近10 万美元。

（来源：科技日报）

我国绿氢规模化应用实现零的突破

库车绿氢示范项目的建成投产，不仅首次贯通了光伏发电、绿电输送、绿电制氢、氢气储存、氢气输运和绿氢炼化全产业链，而且还形成了具有自主知识产权的大规模电解水制氢工艺与工程成套技术，将为绿电制绿氢产业发展提供可复制、可推广的示范案例。

2023 年8 月30 日，中国石化宣布，我国规模最大的光伏发电直接制绿氢项目——新疆库车绿氢示范项目全面建成投产，这标志着我国绿氢规模化工业应用实现零的突破，也被业界认为是我国绿氢产业发展的一个里程碑。

中国石化新星新疆绿氢新能源有限公司总经理范林松表示，该项目所用的光伏组件、电解槽、储氢罐、输氢管线等重大设备及核心材料全部实现了国产化，有效促进了我国氢能装备和氢能产业链发展。

9 700多亩土地上安装50多万块光伏板氢能被称为“21 世纪的终极能源”。国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》称，2050 年，全球氢能源需求将增至目前的10 倍，产业链产值将超过2.5万亿美元。

另据中国氢能联盟预计，至2025 年，我国氢能产业产值将达到1 万亿元。2050 年，氢能在我国终端能源体系中占比将超10%，产业链年产值将达12万亿元。

那么何谓绿氢？根据中国氢能联盟发布的《低碳氢、清洁氢与可再生氢的标准与评价》，氢气一般分为低碳氢、清洁氢与可再生氢，俗称灰氢、蓝氢和绿氢。

灰氢指的是通过化石燃料（石油、天然气和煤）制取的氢，在制取过程中碳排放强度相对较大；蓝氢指的是利用化石燃料制取的氢，同时配合碳捕捉和碳封存技术，碳排放强度相对较低；绿氢指的是利用风电、水电、太阳能、核电等可再生能源，通过电解的方式制取的氢，制氢过程完全没有碳排放。

国际投资银行高盛集团此前发布的报告认为，绿氢已成为实现全球净零排放的关键支柱，有助于减少15%的全球温室气体排放，是深度去碳化的最终解决方案。

由光伏电和风电构成的绿电，是生产绿氢最理想的能量来源。光伏发电直接制造绿氢，简单来说，就是将光伏产生的绿电输送到制氢厂，通过电解槽等核心装置，以电解水的形式产生氢气。由此产生的绿氢将被运送到炼厂、钢铁厂等应用端，替代原有的灰氢和蓝氢。

占地9 700 多亩的库车绿氢示范项目，安装了50多万块光伏板。当太阳光照射到光伏板表面时，受激发产生的游离电子会在内部电场的作用下定向移动，于是形成了电流。

项目作业团队通过专业的辐照计算软件测算光伏组件的最佳倾角，确保组件全年接受的太阳辐射最大化，并选择双玻璃面板增加太阳光利用率。这些光伏板年发电量近6 亿千瓦时，平均每天发电159万千瓦时。

随后，这些绿电将由23.7公里长的输电线路输送至绿氢工厂。在制氢车间的52 台电解槽中，远道而来的绿电将配制好的碱液电解成氢气和氧气。氢气经过提纯后，将被送往10 个巨大的球形储罐，并最终被送往中国石化塔河炼化公司，用于替代过去炼油加工中一直使用的灰氢，实现炼油产品绿色化。

重大设备及核心材料全部实现国产化

“这是绿氢炼化首次实现规模应用，对炼化企业大规模利用绿氢实现碳减排具有重大示范效应。”范林松表示。

中国石化塔河炼化公司生产管理部副经理刘子英则表示，这是第一次把绿氢引入炼油企业来进行加工。“我们的两套天然气制氢系统最终会完全停用，每年大概可以减少天然气使用量2.4万吨，这是实现绿色炼油的一个探索。”

范林松表示，作为我国首个规模化绿电制绿氢项目，库车绿氢示范项目建设中面临着工艺技术新、规模大、无成熟工程案例可借鉴等难点。

中国石化通过联合攻关、揭榜挂帅等形式，突破性地解决了新能源波动电力场景下柔性制氢并连续稳定向下游炼化企业供应难题。

举例来说，光伏等可再生能源发电量具有一定的波动，如果遇上雨天导致发电量减少怎么办？中国石化通过自主开发绿电制氢配置优化软件，将电控设备与制氢设备同步响应匹配，实现了“荷随源动”，大幅提升了设备对波动的适应性。该项目还形成了一套集合预测光伏发电、电氢耦合自动化控制等的创新性技术，可根据光伏发电情况预测产氢量和外输量，实现氢气制、储、输的自动计算和控制。

此外，项目中形成的万吨级电解水制氢工艺与工程成套技术、绿氢储运工艺技术、晶闸管整流技术、智能控制系统研发等创新成果，均实现了工业应用。

值得一提的是，范林松说，库车绿氢项目所用的光伏组件、电解槽、储氢罐、输氢管线等重大设备及核心材料全部实现国产化，有效促进了我国氢能装备企业发展。以电解槽为例，在该项目启动之前，国内的1 000 标准立方米/小时电解槽累计需求量不到30 台，而仅库车绿氢示范项目就需要52 台，有力促进了国内电解槽产业的规模化生产。

未来10~15年是绿氢产业发展关键阶段

库车绿氢示范项目的建成投产，不仅首次贯通了光伏发电、绿电输送、绿电制氢、氢气储存、氢气输运和绿氢炼化全产业链，而且还形成了具有自主知识产权的大规模电解水制氢工艺与工程成套技术，将为绿电制绿氢产业发展提供可复制、可推广的示范案例。

除了库车绿氢示范项目外，2023 年2 月，中国石化还启动建设了鄂尔多斯3 万吨/年绿氢项目。该项目将通过风光耦合所制绿氢就地供应中天合创能源有限责任公司生产高端绿色化工材料。

但总体而言，范松林认为，绿氢工业还仍处于产业发展初期阶段，规模化工业应用主要面临技术、成本、应用场景不完善等问题。

当前主流绿氢技术路线，主要为碱性水电解制氢技术（AE）和质子交换膜水电解制氢技术（PEM）。业内人士称，我国AE 制氢技术水平与国外相近，拥有完全自主知识产权的设备制造、工艺集成能力。在PEM 制氢技术方面，我国尚处于研发走向工业化的前期阶段，电解槽的质子交换膜和膜电极等核心技术和装备目前主要依赖进口。

其中，电解水制氢系统在制氢站总成本中的占比约为80%，且技术壁垒较高，因此电解槽的成本和技术的进一步革新，是绿氢产能更上一层楼的关键。

业内专家分析，未来10~15 年将是绿氢产业从培育期走向商业化初期的关键阶段，绿电绿氢一体化生产、氢能基础设施和氢基碳中和解决方案等将逐步走向成熟；再用15 年左右时间，绿氢在主要应用领域有望实现规模化部署。

（来源：科技日报）

国内首次光伏发电宽频阻抗现场实证成功

记者从中国电科院获悉，中国电科院新能源中心近日在国网宁夏电力公司的协助下，于宁夏回族自治区海原县第六十六光伏电站，圆满完成光伏发电宽频阻抗现场实测。这是国内首次对光伏逆变器完成全工况扫频实测试验，表明我国对探索和解决新能源并网宽频振荡问题取得新的突破性进展。

据介绍，随着国内新能源发电装机规模的快速发展，宽频振荡风险日益凸显。阻抗特性分析是新能源宽频振荡问题分析与策略验证的有效手段。此次现场实测的组串式光伏逆变器具有单机容量小、同一发电单元内多机耦合强等特点，给阻抗特性实测提出更大挑战。

2023 年6 月5 日，宁夏海原县330 千伏汇集站发生69 赫兹超同步振荡。振荡问题发生后，中国电科院新能源中心依托可再生能源并网全国重点实验室，首先仿真复现现场振荡现象，找出振荡风险源，提出采用逆变器多参数协调优化的阻抗重塑振荡抑制方法。

在宁夏海原县第六十六光伏电站，基于自主研制的新能源发电宽频阻抗测量装置，中国电科院新能源中心对振荡抑制策略改造前后的光伏逆变器阻抗特性进行了宽频带（2~1 000 赫兹）、全工况（大功率、中功率、小功率）扫频实测试验，证实现场光伏逆变器振荡抑制策略优化成功。

此次现场实证试验的成功，为宽频振荡问题的分析和解决提供了新思路、新方法、新装备，为解决沙戈荒、深远海等大规模新能源基地宽频振荡问题，提升新能源基地并网稳定性及送出能力提供了技术支撑。

（来源：科技日报）

我国首次约4 000米深海电磁联合探测地质实验获突破

新华社2023 年9 月6 日报道，中国科学院南海海洋研究所近期与中国地质大学（北京）科研人员合作，在南海中央海盆水深约4 000米处，进行了我国第一条跨洋中脊深海人工源电磁与大地电磁联合探测剖面的实验，这标志着我国在复杂的深海地形条件下，大功率人工源电磁探测技术取得了进一步突破。

项目负责人、中国科学院南海海洋研究所研究员孙珍表示，本航次使用的全部是我国科学家自主研发的电磁发射和接收装备。为了进行本次实验，项目组筹备时间长达4年。实验于2023年7至8月举行，整个剖面长度近100 公里，共有16 个接收测点，取得了质量较好的电磁数据。

海洋电磁法是一种重要的探测海底地质结构的方法。此前，国际上少数单位具备在深海中开展人工源电磁与大地电磁联合探测的成熟技术和装备。近20 年，经国内多家单位研究学者长期不懈的努力，我国在海底电磁场观测、大功率人工源电磁发射、电磁法海上作业技术、数据分析与处理等领域取得了重要进展。

“这次探测实现了用一条地球物理剖面同时探测浅部地壳和深部地幔电阻率结构的目标，将显著提升我国利用海洋电磁法探测海底地质结构和资源的实力。”电磁联合探测航次负责人姜峰说。

此次跨洋中脊海洋电磁法联合探测作业由中国科学院南海海洋研究所地球物理综合科学考察船“实验6”执行。

（来源：新华社）

我国科学家研制出仿生低碳新型建筑材料

中国科学院理化技术研究所研究团队受自然界中沙塔蠕虫构筑巢穴过程启发，在低温常压条件下制备了力学性能优异的仿生低碳新型建筑材料，为建筑领域节能减排提供了新思路。相关成果于2023 年9 月20 日在国际学术期刊《物质》在线发表。

“传统的水泥基建材，在生产过程中需消耗大量能量，同时会产生大量碳排放，发展新型低碳建筑材料具有重要意义。”文章通讯作者、中国科学院理化技术研究所研究员王树涛说。

据介绍，近年来国内外开展了大量研究工作，尝试用黏结剂将沙粒、矿渣等固体颗粒黏结起来形成天然基建筑材料，然而此类材料强度普遍较低，难以满足实际建筑需求。

此项最新研究中，研究团队运用仿生策略，设计了天然基仿生低碳新型建筑材料。“沙塔蠕虫可通过分泌复合有正电性蛋白与负电性蛋白的黏液，黏结沙粒构筑坚固的巢穴。受此启发，团队引入正电性季铵化壳聚糖与负电性海藻酸钠形成仿生黏结剂，实现了对各类固体颗粒的牢固黏结。”文章第一作者、中国科学院理化技术研究所博士研究生徐雪涛说。

“这种天然基仿生低碳新型建筑材料的抗压强度可达17 兆帕，可达到常规建筑材料要求标准。”王树涛说，这种材料还具有优异的抗老化性能、防水性能及独特的可循环利用性能，在低碳建筑领域具有很大应用潜力。

（来源：新华网）

我国科研团队在二维高性能浮栅晶体管存储器方面取得重要进展

记者2023 年9 月18 日从华中科技大学了解到，该校材料成形与模具技术全国重点实验室教授翟天佑团队在二维高性能浮栅晶体管存储器方面取得重要进展，研制了一种具有边缘接触特征的新型二维浮栅晶体管器件，与现有商业闪存器件性能对比，其擦写速度、循环寿命等关键性能均有提升，为发展高性能、高密度大容量存储器件提供了新的思路。

浮栅晶体管作为一种电荷存储器，是构成当前大容量固态存储器发展的核心元器件。然而，当前商业闪存内硅基浮栅存储器件所需的擦写时间约在10 微秒至1 毫秒范围内，远低于计算单元CPU 纳秒级的数据处理速度，且其循环耐久性约为10 万次，也难以满足频繁的数据交互。随着计算机数据吞吐量的爆发式增长，发展一种可兼顾高速、高循环耐久性的存储技术势在必行。

二维材料具有原子级厚度和无悬挂键表面，在器件集成时可有效避免窄沟道效应和界面态钉扎等问题，是实现高密度集成、高性能闪存器件的理想材料。然而，在此前的研究中，其数据擦写速度多异常缓慢，鲜有器件可同时实现高速和高循环耐久性。面对这一挑战，翟天佑团队研制了一种具有边缘接触特征的新型二维浮栅晶体管器件，通过对传统金属-半导体接触区域内二硫化钼进行相转变，使其由半导体相（2H）向金属相（1T）转变，使器件内金属-半导体接触类型由传统的3D/2D 面接触过渡为具有原子级锐利界面的2D/2D 型边缘接触，实现了擦写速度在10 纳秒至100 纳秒、循环耐久性超过300 万次的高性能存储器件。

“通过对比传统面接触电极与新型边缘接触，该研究说明了优化制备二维浮栅存储器件内金属-半导体接触界面对改善其擦写速度、循环寿命等关键性能有重要作用。”翟天佑说。

这一成果以《基于相变边缘接触的高速、耐久二维浮栅存储器》为题，于2023 年9 月13 日在国际学术期刊《自然·通讯》在线发表。

（来源：新华网）