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新技术将太赫兹波放大3万多倍有望推动6G通信变革

科技日报2023 年12 月26 日报道，韩国蔚山国立科技大学与美国田纳西大学、橡树岭国家实验室的研究团队合作开发出一种新技术，成功优化了专门用于6G 通信的太赫兹（THz）纳米谐振器，将太赫兹电磁波放大3 万倍以上。这一突破有望为6G 通信频率的商业化带来变革。相关论文发表于最新一期《纳米快报》杂志。

以前，即使利用超级计算机处理，设计太赫兹纳米谐振器也很耗时。在最新研究中，研究人员利用个人计算机，通过集成基于物理理论模型的人工智能（AI）学习，提高了太赫兹纳米谐振器的效率，并通过一系列太赫兹电磁波传输实验，对新开发的纳米谐振器的效率进行了评估。评估结果令人震惊：新设计出的太赫兹纳米谐振器产生的电场是一般电磁波产生电场的3 万倍。而且，与之前报道的太赫兹纳米谐振器相比，新谐振器的效率提高了3 倍。

研究人员解释道，一般来说，基于AI 的逆向设计技术主要用于在可见光或红外区域内设计光学器件结构，但这些区域仅为所有波长的一小部分。将这些技术应用于6G 通信所用的太赫兹频率范围（0.075 THz-0.3 THz）面临极大挑战，因为太赫兹的波长要小得多。

鉴于此，团队设计了一种创新方法，将一种新的太赫兹纳米谐振器与基于物理理论模型的AI 逆向设计方法相结合。这种方法能在不到40小时内对设备进行优化，即使在个人计算机上也是如此。而此前，科学家进行一次此类模拟需要数十小时，对设备优化一次可能需要数百年。

研究人员强调，优化后的纳米谐振器有望对超精密探测器、超小分子探测传感器和热辐射计等设备产生重大影响。而且，这项研究中使用的方法不仅限于特定的纳米结构，还可扩展到使用不同波长或结构的物理理论模型的研究。

（来源：科技日报）

首个由石墨烯制成的功能半导体问世电子迁移率是硅的10倍

科技日报2024 年1 月5 日报道，中国天津大学和美国佐治亚理工学院研究人员创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。该项突破为开发全新电子产品打开了大门。研究成果于2024 年1月3日发表在《自然》杂志。

石墨烯是由已知最强的键连接在一起的单片碳原子。半导体是在特定条件下导电的材料，是电子设备的基本组件。石墨烯电子学中长期存在的问题是石墨烯没有合适的带隙，并且无法以正确的比率打开和关闭。多年来，许多人尝试用各种方法来解决这个问题。最新技术实现了带隙，这是开发基于石墨烯的电子产品的关键一步。

研究团队在使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯时取得了突破。他们生产了外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层。研究发现，当制造得当时，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并开始表现出半导体特性。

但要制造功能性晶体管，必须对半导体材料进行大量操作，这可能会损害其性能。为了证明他们的平台可作为可行的半导体发挥作用，该团队需要在不损坏它的情况下测量其电子特性。

他们将原子放在石墨烯上，利用掺杂技术向系统“捐赠”电子，用于查看该材料是否是良好的导体。测量表明，他们的石墨烯半导体的迁移率是硅的10 倍。换句话说，电子以非常低的阻力移动，这在电子学中意味着更快地计算。研究人员表示，这就像在碎石路上行驶与在高速公路上行驶一样。它效率更高，升温幅度不大，并且速度更高，因此电子可移动得更快。

新开发的产品是目前唯一具有用于纳米电子学的所有必要特性的二维半导体，其电学特性远远优于目前正在开发的任何其他二维半导体。

研究人员表示，外延石墨烯可能会引起电子领域的范式转变，并导致利用其独特特性的全新技术。该材料允许利用电子的量子力学波特性，从而满足量子计算的要求。

（来源：科技日报）

世界首台聚合物燃烧过程实时在线分析仪通过鉴定

科技日报2023 年12 月22 日报道，四川大学完成的“聚合物燃烧过程实时在线分析仪器与系统”项目日前通过成果鉴定。这是世界首台（套）能同时实时在线检测与分析聚合物阻燃性能、真实燃烧行为与阻燃机理的科研仪器。

有机高分子材料目前正广泛应用于国民经济和人民生活。与金属材料和无机非金属材料相比，有机高分子材料具有易燃性，易引发火灾。赋予有机高分子材料阻燃性，是从源头上解决易燃高分子材料引发火灾的有效措施。但由于缺乏能够实时在线精确分析聚合物燃烧过程的仪器，已有阻燃机理研究仅能在非真实火环境下进行，不能有效指导阻燃化设计。

为此，四川大学化学学院王玉忠院士团队历时近40 年，对高分子材料无卤阻燃领域系统进行研究，提出和发展了阻燃新理论和新方法，并开发出各种无卤阻燃高分子材料体系与阻燃技术。相关体系与方法已在国内外企业中得到应用。

研究团队创制出的聚合物燃烧过程实时在线分析仪器与系统，能够科学表现聚合物真实燃烧行为，实时在线分析聚合物热释放、烟释放、瞬态自由基、官能团、精细化学结构、表征燃烧和阻燃性能等，并同时原位分析燃烧行为和机理。聚合物燃烧过程实时在线分析仪器与系统的成功研制填补了聚合物燃烧实时在线分析检测领域的空白。由中国仪器仪表学会组织的专家团队鉴定认为，该聚合物燃烧过程实时在线分析仪器与系统技术水平高、创新性强、具有自主知识产权，各种性能及功能指标优于现有国内外用于阻燃研究的商品化仪器。

（来源：科技日报）

我国首套煤层气提取高纯氦气装置成功应用

科技日报2024 年1 月3 日报道，从中国煤炭科工集团获悉，该集团煤炭科学技术研究院有限公司（以下简称煤科院）承建的我国首套含氦煤层气提取高纯氦气装置近日成功应用，顺利产出99.999%以上纯度的高纯氦气。这标志着我国完全掌握了含氦煤层气提氦成套工艺及其工程化技术。我国含氦煤层气提取高纯氦气技术获得重要进展。

“氦气是高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资之一，被称为‘黄金气体’。”煤科院煤化工分院炭材料研究所副所长、项目技术负责人郭昊乾介绍，氦气用途极其广泛，可应用于航空航天、高端医疗、半导体制造、大科学装置等众多领域。目前，氦气唯一的工业化生产方式是从天然气中提取。

煤科院此次开发的含氦煤层气提取高纯氦气装置应用于窑街煤电集团所属海石湾煤矿。该煤矿煤层气属于我国极为稀少的含氦煤层气资源。煤层气作为一种非常规天然气，相较于常规天然气，其成分更为复杂，提取氦气难度大。而海石湾煤矿煤层气同时还含有大量的二氧化碳，分离提氦难上加难。

为解决含氦煤层气制备高纯氦气难题，自2021 年开始，煤科院联合窑街煤电集团围绕含氦煤层气提氦技术开展科研攻关。郭昊乾介绍，凭借在气体分离提纯领域的技术积累，煤科院攻关团队融合变压吸附、膜分离等多项气体分离关键技术，创新开发了“变压吸附+膜分离+精制纯化”的煤层气提氦工艺。

“这种煤层气提氦工艺不同于天然气液化提氦，我们攻克了多组分煤层气变压吸附脱碳、浓缩、提氦一体化分离关键技术以及膜分离和高效精制纯化耦合关键技术，提取的氦气纯度最高可达99.9999%以上，为高纯氦气资源获取提供了新途径。”郭昊乾说，不仅如此，提取氦气后的煤层气可继续用作发电原料气，使煤层气和氦气资源同时得到高效利用，为企业创造了“一举多得”的经济、社会和环境效益。

据介绍，下一步，煤科院提氦成套工艺技术将推广应用至常规天然气提氦领域，以增加我国氦气资源供给途径，为我国低温超导、高温气冷堆和大科学装置等领域发展提供资源保障。

（来源：科技日报）

首款国产甲醇船用发动机将实现产业化应用

科技日报2023 年12 月22 日报道，记者从中国农业发展集团获悉，该集团所属淄柴动力有限公司研发的甲醇∕柴油双燃料发动机日前获得由中国船级社青岛分社颁发的国内首张甲醇∕柴油双燃料船用发动机的型式认可证书和产品证书。这款发动机将应用在国内首艘甲醇∕柴油双燃料万吨级电力推进散货船上。这标志着中国自主品牌的低碳环保甲醇船用发动机将实现产业化应用。

“甲醇是国际公认的低碳清洁燃料之一。将其作为船舶动力燃料，是助推船舶领域实现节能降碳的重要技术路径。”淄柴动力有限公司副总经理、总工程师辛强之说。

据了解，淄柴动力有限公司自2017 年开始进行甲醇∕柴油双燃料发动机关键技术攻关。该公司通过与天津大学等高校院所、相关零部件配套厂家联手，成功自主研发了国内首款甲醇∕柴油双燃料发动机。发动机缸径180毫米、功率880千瓦，最高柴油替代率可达76%，平均柴油替代率达50%以上。

辛强之介绍，这款发动机采用甲醇∕柴油组合燃烧技术。该技术通过对柴油与甲醇的协同控制，解决甲醇发动机难以冷起动的难题，可有效提高发动机热效率，在结构上实现与现有柴油机最大限度的兼容。

“甲醇在中高速船用发动机的成功应用，可有效提升船舶动力燃料的节能环保性能，同时降低船舶动力燃料的成本。”辛强之说。在减碳方面，与燃烧柴油相比，灰醇可实现减碳10%以上，绿醇可实现减碳90%以上。

辛强之表示，甲醇∕柴油双燃料发动机的产业化应用具有非常广阔的前景，同时将产生十分显著的社会效益和经济效益。

（来源：科技日报）

我国第三代超导量子计算机“本源悟空”上线运行

科技日报2024 年1 月6 日报道，中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”在本源量子计算科技（合肥）股份有限公司（以下简称本源量子）正式上线运行。

该量子计算机搭载72 位自主超导量子芯片“悟空芯”，是目前中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。

超导量子计算机是基于超导电路量子芯片的量子计算机。国际上，IBM 与谷歌量子计算机均采用超导技术路线。此次发布的中国第三代72 比特超导量子计算机取名“悟空”，来源于中国传统文化中的神话人物孙悟空，寓意如孙悟空般“72变”。

安徽省量子计算工程研究中心副主任孔伟成介绍称，“本源悟空”匹配了本源第三代量子计算测控系统“本源天机”，在国内首次真正落地了量子芯片的批量自动化测试，量子计算机的整机运行效率提升了数十倍。

量子计算芯片安徽省重点实验室副主任贾志龙介绍说，“悟空”搭载的72 位超导量子芯片“悟空芯”在中国首条量子芯片生产线上制造，共有198 个量子比特，其中包含72 个工作量子比特和126 个耦合器量子比特。

中国第三代可交付超导量子计算机科研团队主要负责人、中国科学院量子信息重点实验室副主任郭国平说，中国可交付自主超导量子计算机虽然取得了一定的进展，但是要清醒看到和世界量子计算强国间尚有不小差距。我国基层量子计算科研团队唯有通过一代又一代人的接续奋斗，继续紧紧咬住全球量子计算科技前沿，才能把量子计算机关键核心技术牢牢掌握在中国人自己手里，力争造出更强中国人自己的量子计算机。

据了解，本源量子第一代、第二代超导量子计算机均已交付中国用户使用。本源量子拥有中国首条量子芯片生产线、中国首款量子计算机操作系统、中国首个量子计算测控系统。本源量子计算专利数排名中国第一、全球第六。

（来源：科技日报）

中国科学院深圳先进院重大科研成果发表超灵敏软体微米机器人问世

深圳新闻网2024 年1 月7 日报道，把弹簧结构运用到微观世界中，开发出具备弹性结构的微纳器件，是科学家们长久以来的一大构想。

2024 年1 月4 日，中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所副研究员徐海峰团队的最新研究成果发表于《自然—纳米技术》。研究团队运用首次构建的弹性模量维度4D 纳米弹性体光刻策略，制备了迄今最灵敏的人造弹簧系统，探测灵敏度达到500 飞牛，实现了皮牛力下微米级的形变，并基于此开发出一系列具有超灵敏度的软体微米机器人，实现了高精度细胞力学研究及细胞的无影响操纵，有望为显微外科手术和靶向药物输送等精准医疗领域提供新方法。

在微观世界中，一些细胞和微生物使用生物弹簧来执行力感知、捕食、驱动等动作。如果能借鉴微生物和细胞的超灵敏生物力学特性，研发出超灵敏的仿生弹性器件，将有助于进行更为精准的细胞力学表征，有望运用在精准医疗、药物递送、科学研究等领域。

“细胞力是细胞在执行正常生理功能时所产生的作用力，包括细胞的黏附力、迁移力、收缩力、伸展力等，在细胞生长、发育、分化、运动、损伤修复等过程中发挥重要作用。感知和探测细胞力，是超灵敏仿生弹性器件实现相关功能的重要一环。器件能探测更低的细胞力，则说明其灵敏度越高。”徐海峰介绍。

传统用于测算和感知细胞力学表征的原子力显微镜表征方法、流体力学计算等方法都极容易受到干扰，且数据差异很大，无法实现细胞力学的精准表征。

对此，研究团队构想了一种微米级别的弹性机器人用以探测更低的细胞力，并自主开发了超弹磁性光刻胶，构建了弹性模量维度的4D 纳米弹性体光刻策略，制备了人造弹簧系统——皮牛弹簧。“该系统具有纳米级的特征尺寸，它的力感知的灵敏度可以达到500 飞牛，这相当于单个细胞重力的一千分之一，并且其形变精度超过1 微米每皮牛。”徐海峰说。

这一新型皮牛弹簧支持高度自由的4D 光刻加工，可以被定制化加工成任意形状，同时完美兼容磁性光刻材料，可用于制备各类软体微米机器人和柔性微米器件，如用于测量精子驱动力的微米测力计、用于细胞操纵的微米镊子及进行自驱动的微米企鹅和微米海龟等机器。

（来源：深圳新闻网）

浙大团队实现丙烯、丙烷高纯分离

中国新闻网杭州2023 年12 月15 日报道，记者从浙江大学获悉，该校科研团队研发出一种新型阴离子功能化多孔材料ZU-609，通过调控孔口大小和孔腔尺寸，实现了丙烯、丙烷的精准筛分与高丙烯扩散速率。据悉，相关论文于北京时间2023年12 月15 日以“First Release”形式在线发表在国际顶级期刊《科学》。

丙烯是世界上产量最大的化工品之一，也是重要的基础化工原料。然而在工业生产中，因丙烯与丙烷只有两个氢原子的差别，且大小也非常接近，很难简单分离。《自然》杂志曾指出，发展高效节能的烯烃∕烷烃分离技术被誉为七项可以改变世界的化工分离过程之一。

基于此，浙江大学化学工程与生物工程学院、杭州国际科创中心邢华斌教授、杨立峰研究员团队开始技术攻关。

分子筛分是实现尺寸相似物质高选择性识别的关键机理。其基本原理就是仅允许尺寸比吸附剂孔口小的分子进入孔道，尺寸大的分子被阻挡。

理论很完美，现实很残酷。由于狭窄的孔道会限制分子在内部的扩散，分子筛分材料长期以来面临着扩散传质差、吸附容量低、脱附难度大等问题，从而严重影响分离效率。

“为了提高烯烃通过速率，工业中常用高温来‘驱赶’气体快点‘跑’。”邢华斌说，但这种方式降低了吸附剂的工作容量，也增加了分离过程能耗，不利于工业的大规模推广。

如何在有限的空间里实现物质快速传递，即化学工程的“限域扩散传质”难题，一直是前沿研究领域。邢华斌说，在实验室的小瓶小罐里实现烯烃∕烷烃精准分离，放到工厂里几百方几千方大小的装置设备里就不一定管用了，因此让分离过程更“快”，是提高化工过程效率的关键技术挑战，对于工业应用具有重要意义。

由此，浙大科研人员精准调控，研发出快速、高效、低碳的分子筛材料ZU-609。这个新型分子筛材料通过对孔口的精准控制，仅允许丙烯分子进入，阻挡丙烷分子的通过，达到快速精准识别的效果。

为了让分离过程更快速，浙大研究人员采用了“两头小中间大”的筛分孔道，在孔道的进口和出口分别有“隔离墩”来阻挡丙烷分子，丙烯进入之后，又能在“中间宽”的孔道中快速通过，扩散系数相比于之前的分子筛材料提高了1-2个数量级。

“我们研制的新型分子筛，既能够快速拉住通过其中的丙烯分子，同时还能够快速放手，这为高效低碳分离丙烯奠定了基础。”杨立峰说。

变压吸附计算结果表明，ZU-609 丙烯分离能耗相较于之前报道的筛分材料显著降低、丙烯生产效率提高2 倍。“我们的研究为微孔扩散传质强化这一化学工程核心问题提供了新思路，为低碳分离技术发展奠定了基础。”邢华斌介绍，这也有利于超高纯电子化学品的国产化制备。

（来源：中国新闻网）

2023 全球工程前沿及全球十大工程成就发布

2023 年12 月20 日，中国工程院、科睿唯安、高等教育出版社在北京联合发布《全球工程前沿2023》报告。当天还发布了由中国工程院院刊《工程（英文）》评选的“2023 全球十大工程成就”。

《全球工程前沿2023》报告由中国工程院全球工程前沿项目组编制，主要围绕机械与运载工程，信息与电子工程，化工、冶金与材料工程，能源与矿业工程，土木、水利与建筑工程，环境与轻纺工程，农业，医药卫生，工程管理等9 个领域，研判93项工程研究前沿和94 项工程开发前沿。

报告指出，2023 全球工程前沿呈现三大特征。其一，新兴前沿持续演进，新一轮科技革命和产业变革深入发展，机器人、大模型、量子芯片、合成生物学、泛基因组等新兴技术不断突破，为全球科技和产业创新提供新动能。其二，交叉前沿融合创新，学科交叉融合持续推进，人工智能、机器人、可再生能源等新技术加速向各领域渗透融合，迈向智能化、无人化、精准化、低碳化，催生全球科技和产业创新发展新模式。其三，应用前沿深入发展，以应用场景驱动，以解决复杂问题为导向，多目标协同、多维度兼顾，统筹局部与整体、本体和环境、数量和质量、品质和效率，拓展全球科技与产业创新格局。

2023 全球十大工程成就经由全球征集提名、专家遴选推荐、公众问卷调查、评选委员会审议确定。本次发布的成就包括：ChatGPT、中国空间站、百亿亿次超级计算机、白鹤滩水电站、双小行星重定向测试、RTS,S∕AS01 疟疾疫苗、鸿蒙操作系统、Spot&Atlas 机器人、锂离子动力电池、无人驾驶航空器。

本次评选发布的全球十大工程成就有三个特点：一是代表了某一个或多个工程科技领域最先进的技术水平或者重大的原创性突破，能够引领未来技术进步方向。二是通过技术整合、系统集成、资源优化配置达成了整体目标，呈现出显著的系统集成创新特色。三是催生新产业、新动能，具有重要的产业带动和经济驱动价值，代表新质生产力发展方向。

（来源：中国科学报）