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世界首个原子级

量子传感器问世

科技日报2024年7月25日报道，韩国基础科学研究所（IBS）量子纳米科学中心（QNS）和德国尤里希研究中心的国际研究团队开发出世界上首个原子级量子传感器，能够检测原子尺度的微小磁场。相关论文25日发表在《自然·纳米技术》上。这一成果标志着量子技术领域的一个重要里程碑，有望对多个科学领域产生深远影响。

原子直径比人类发丝还要细100万倍，要观察和精确测量原子产生的电场、磁场等物理量极为困难。为了从单个原子中探测如此弱的场，观察工具必须高度敏感，且尺寸须与原子相当。虽然许多量子传感器能够探测电场和磁场，但要在空间分辨率上达到原子尺度却是个极大挑战。

此次的原子级量子传感器成功之处在于，它仅使用了单个分子。这是一种概念上不同的传感方式，因为大多数其他传感器的功能都依赖于晶格缺陷。这些缺陷只有在深深嵌入材料中时才会显现其特性，因此这种能够探测电场和磁场的缺陷通常与物体保持相当大的距离，从而限制了在单个原子尺度上进行观测的能力。

研究团队改变了方法，开发出一种使用单个分子来探测原子的电磁特性的工具。该分子附着在扫描隧道显微镜的尖端，可以将其带到距离实际物体仅几个原子的位置。

这项开创性工具类似核磁共振成像（MRI）的量子材料设备，为量子传感器中的空间分辨率设立了新标准，将使科学家能够在最基本的层面上探索和理解物质。

该传感器空间分辨率高达0.1埃，而1埃通常对应于一个原子直径，有望为量子材料和设备工程、新型催化剂设计以及分子系统（如生物化学）基本量子行为的研究开辟新途径。

（2024年7月25日 张佳欣 科技日报）

锂离子电池回收技术

瓶颈获突破

科技日报2024年7月30日报道，发表在29日《高级功能材料》杂志上的一项最新研究中，美国莱斯大学研究人员描述了一种使用微波辐射和易于生物降解的溶剂进行选择性锂回收的快速、高效且环保的方法。研究结果显示，新工艺可以在短短30秒内回收废旧锂离子电池（LIB）阴极中多达50%的锂，突破了LIB回收技术中的一个重大瓶颈。

目前，锂这种银白色金属需求量很大，面临供不应求的局面。

传统从废电池中回收锂的方法会对环境造成污染，且效率极低。这主要是由于回收过程中锂受到污染和损失，同时回收过程能耗太大。由于锂通常在其他金属之后才会析出，研究人员试图找出专门针对锂的回收方法。

此次，研究人员使用氯化胆碱和乙二醇的混合物作为深共晶溶剂（DES）。他们此前已发现，在DES浸出过程中，锂会被氯化胆碱中的氯离子包围并被浸出到溶液中。

为了浸出钴或镍等其他金属，氯化胆碱和乙二醇都必须参与该过程。在这两种物质中，只有氯化胆碱擅长吸收微波，于是研究人员将电池废料浸入溶剂中，并用微波照射，从而能够选择性地从其他金属中浸出锂。

将微波辐射用于此过程类似于厨房微波炉快速加热食物。能量直接传递给分子，使反应比传统加热方法快得多。

使用微波工艺，研究人员发现浸出87%的锂需要15分钟，而通过油浴加热获得相同的回收率则需要12小时。这种突破性方法可极大改善锂离子电池回收的经济性和对环境的影响，为解决日益严重的全球问题提供了可持续的新方案。

（2024年7月30日 张佳欣 科技日报）

具明亮基态激子的半导体纳米

晶体发现

科技日报2024年8月4日报道，来自美国海军研究实验室（NRL）和瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）的科学家表示，他们发现了一类具有明亮基态激子的新型半导体纳米晶体。这一发现标志着光电子领域的一项重大进步，可能会彻底改变高效发光器件等技术的发展。相关论文发表于新一期《美国化学学会·纳米》杂志。

通常情况下，纳米晶体内能量最低的激子被称为“暗”激子。暗激子的存在减缓了光的发射速率，限制了基于纳米晶体的器件，如激光器或发光二极管（LED）的性能。长期以来，科学家一直致力于寻找克服这一难题的办法。

NRL研究人员表示，他们采取了一种创新思路，即寻找激子能级顺序颠倒的新材料，这样原本处于最低能量的暗激子就“变身”为明亮的激子。在最新研究中，他们根据自己开发的理论建模结果，在开源材料数据库中进行了广泛搜索，初步筛选出150多个潜在目标。随后，他们通过进一步计算分析，得到了28种具有明亮激子的纳米材料。

ETH研究人员介绍称，他们对这28种材料进行了更详细的建模。结果显示，其中至少有4种纳米晶体拥有明亮的基态激子。

此次发现的这些新材料可以发出从红外到紫外的广谱光。这种独特的多功能性使其在光电应用领域展现出巨大的应用潜力，为创造性能更优异的LED、太阳能电池和光电探测器开辟了新途径。

（2024年8月4日 刘 霞 科技日报）

新分子有望延长

钙钛矿电池寿命

科技日报2024年7月25日报道，记者从西湖大学获悉，该校工学院王睿实验室研发出一种新分子——Py3，它有望显著提升钙钛矿太阳能电池（以下简称“钙钛矿电池”）光电转化效率，并将其使用寿命延长约2倍。相关成果于24日在线发表于《自然》杂志。

“典型的钙钛矿电池共有5层。”王睿介绍，在正置钙钛矿电池中，自电池表面到内部依次为透明导电氧化物、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴选择接触层、金属电极；而在倒置钙钛矿电池中，电子传输层和空穴选择接触层的位置对调，其余几层不变。Py3分子主要针对倒置钙钛矿电池而开发。

近几年，科研人员发现，倒置钙钛矿电池的效率可与正置钙钛矿电池相媲美，且稳定性更强，与叠层器件的兼容性也较好。因此，倒置钙钛矿电池成为新的研究热点。

不过，王睿团队发现，倒置钙钛矿电池存在一些缺陷，其与基于小分子的空穴选择接触层有关。该层是正电荷的“交通要道”，是实现倒置钙钛矿电池高效稳定的关键组成部分。

“空穴选择接触层的性能，和所选用分子的化学结构紧密相关。” 王睿解释说，这类分子通常由共轭母核和锚定基团组成，目前其结构设计依赖氮、硫、氧等杂原子取代的π-共轭结构。这容易导致分子结构不稳定，影响钙钛矿电池的效率和稳定性。

为解决这一问题，王睿团队联合浙江大学薛晶晶团队，尝试构建一种全新的共轭母核。他们抛弃传统设计思路，把目光投向具有本征稳定性的全碳基结构——芘核。最终，研究团队成功合成基于芘的共轭母核分子Py3，并开发了新型空穴选择接触结构。

实验测试显示，采用Py3分子作为空穴选择接触层的钙钛矿电池，光电转化效率显著提高至26.1%；此类钙钛矿电池器件运行寿命超1万小时。而在现阶段，钙钛矿电池的使用寿命约为3 000小时。

（2024年7月25日 刘园园 科技日报）

新型高性能聚合物热电材料

研发成功

科技日报2024年7月25日报道，记者从中国科学院化学研究所获悉，该所科研人员与其他科学家合作，研发出新型高性能聚合物热电材料——PMHJ薄膜。相对于普通聚合物薄膜，PMHJ薄膜有望大幅提升材料的热电性能，为高性能塑料基热电材料研究提供全新思路。7月24日，相关成果在线发表于《自然》杂志。

碳元素可以与氢、氧、氮、磷、硫等元素形成化学键，从而构建出各种有机分子，这些分子单体可以通过周期性键合形成高分子量的聚合物。目前，人工合成的聚合物，尤其是塑料，已经成为人们日常生活和高科技领域不可缺少的材料。

导电聚合物不但具有和传统塑料类似的柔性、易加工性和低成本等特点，还可以通过分子设计和化学掺杂携带电荷，从而表现出导电性。更为神奇的是，很多导电聚合物可以作为热电材料。也就是说，当聚合物薄膜两端的温度出现高低差时，材料两端就会产生电动势，即塞贝克效应；而当在材料两端构建导电回路并施加电压时，导电塑料薄膜的两端也会产生温度差。

高性能热电材料应具备高塞贝克系数、高电导率和低热导率，而理想的模型就是“声子玻璃-电子晶体”模型。“具体来说，材料需要像玻璃一样阻挡热量（声子）传导，但又像晶体一样允许电荷自由移动，也就是让声子寸步难行，而让电荷畅通无阻。”科研人员解释，科学界普遍认为，聚合物具有声子玻璃特征，从而具有本征低热导率。而实际上，很多高电导聚合物薄膜具有有序分子排列的结晶区，和理想的“声子玻璃”有很大差异，直接制约了聚合物热电性能的提高。科研人员此次利用两种不同的聚合物，研发出具有不同结构特征的PMHJ薄膜。该薄膜不但可以保证有效的电荷传输，还可以高效散射声子与类声子传播。

（2024年7月25日 陆成宽 科技日报）

两颗“世界之首”科研卫星

正式投入使用

科技日报2024年7月25日报道，国家航天局在京举办国家民用空间基础设施大气环境监测卫星和陆地生态系统碳监测卫星两颗科研卫星的投入使用仪式。

作为世界首颗采用激光主动探测手段的高精度大气环境遥感卫星，大气环境监测卫星可对大气细颗粒物、污染气体、温室气体、云和气溶胶以及陆表、水体等环境要素，开展大范围、连续、动态、全天时综合监测，并首次实现了全球全天时1ppm（百万分之一）高精度二氧化碳柱浓度探测。发布的首批应用成果，包括首个高精度全球全天时二氧化碳柱浓度分布图、首个全球二氧化氮柱浓度遥感图、全球臭氧柱浓度遥感图、全球PM2.5产品分布遥感图等20余项产品。

陆地生态系统碳监测卫星又称“句芒号”，是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，可探测植被生物量和植被生产力，同时满足地理测绘、灾害评估、农情遥感等需求。该卫星实现了对森林植被高度、生物量、叶绿素荧光的定量遥感探测，提升了我国和全球森林碳汇监测能力。发布的首批应用成果，包括海南岛叶绿素荧光空间连续产品、东北虎豹公园生物量反演产品、京津冀地区冬季小麦产量和夏季玉米生物量等20余项产品。

两星在轨测试期间均展示了良好的应用效果。它们投入使用后，将对大气环境与陆地生态系统开展监测，为建设美丽中国、应对全球气候变化、实现“双碳”目标提供重要的数据支撑。

（2024年7月25日 付毅飞 科技日报）