熔融石英反射镜

来自奥地利、美国和瑞士的科学家组成的国际科研团队，研制出了首个中红外波长范围超级反射镜，有望用于测量微量温室气体或用于切割和焊接的工业激光器等领域。研究论文发表于最新一期《自然通讯》杂志。在可见光波长范围内，现有金属反射镜的反射率为99%。在近红外范围，专用反射镜涂层的反射率高达99.9997%；但迄今最好的中红外反射镜的反射率为99.99%，光子丢失率是近红外超反射镜的33倍。人们一直希望将超反射镜技术扩展到中红外领域，以促进很多领域取得重大进展，如测量与气候变化有关的微量气体、分析生物燃料，以及提升广泛应用于工业和医疗领域的切割激光器和激光手术刀的性能等。此次，研究团队研制出的中红外超反射镜的反射率高达99.99923%。为制造出中红外超级反射镜，研究团队结合传统薄膜涂层技术与新型半导体材料和方法，开发出一种新涂层工艺。为此，他们先研制出直径为25毫米的硅基板，然后让高反射半导体晶体结构在10厘米的砷化镓晶片上生长，接着将其分成更小的圆形反射镜，再将这些反射镜安装到硅基板上，得到了超级反射镜并证明了其性能。研究人员指出，这款新型超反射镜的一个直接应用是显著提高中红外气体分析光学设备的灵敏度，可准确计量微量环境标志物，如一氧化碳等。

8月5日，国家自然科学基金委员会发布“十四五”第一批重大项目指南及申请注意事项。其中，2021年数理科学部共发布10个重大项目指南，拟资助5个重大项目，项目申请的直接费用预算不得超过1500万元/项。2021年数理科学部共发布10个重大项目指南如下：“超大型航天结构空间组装动力学与控制”重大项目指南“材料长效使役性能高通量表征的力学理论与实验方法”重大项目指南“活动星系核反馈在星系演化中的作用”重大项目指南“致密天体活动与爆发的宽能段时变与能谱研究”重大项目指南“基于强太赫兹源的声子调控诱导电子新结构与物性研究”重大项目指南“基于铌酸锂薄膜的超高速多维光场调控及其应用基础研究”重大项目指南“粲夸克衰变中标准模型的精确检验”重大项目指南“基于LHAASO实验的粒子天体物理前沿问题研究”重大项目指南“先进核能系统中材料的若干协同损伤作用机理研究”重大项目指南“高精度X射线反射镜的关键科学与技术问题”重大项目指南10个重大项目指南关键内容如下：“超大型航天结构空间组装动力学与控制”重大项目指南一、科学目标瞄准超大型航天结构的减重设计和空间组装需求，提出满足在轨动力学要求的组装结构轻量化设计新理论；建立空间组装过程的“轨道-姿态-结构”耦合动力学新模型，揭示空间组装过程的耦合动力学演化新规律；提出空间组装过程的“轨道-姿态-结构”一体化稳定控制新理论；探索解决超大型航天结构动力学试验“天地一致性”问题的新方案。二、研究内容（一）超大型航天结构的轻量化和可控性设计。（二）超大型航天结构空间组装过程的动力学演化。（三）空间组装过程轨道-姿态-结构一体化稳定控制。（四）空间组装过程动力学与控制的地面模拟试验。“材料长效使役性能高通量表征的力学理论与实验方法”重大项目指南一、科学目标建立基于全场分析的梯度材料表征力学理论，发展多重物性宏微观高通量测试技术，通过结构与性能关系的多尺度机理研究和机器学习，构建材料短时数据与长效使役性能之间的映射关系，实现对其使役寿命的精准预测，应用于具有重要战略意义的高速列车车轴材料和全固态电池材料。二、研究内容（一）基于梯度样品全场分析的高通量表征力学理论。（二）梯度样品宏观层次高通量表征实验方法。（三）梯度样品微观层次高通量表征实验方法。（四）机理驱动的使役行为跨时空尺度映射。“活动星系核反馈在星系演化中的作用”重大项目指南一、科学目标获得不同光度活动星系核风的观测证据、以及风的速度、质量流与活动星系核光度的定量关系；将低红移星系气体的探测深度和中高红移星系的光谱数量提高一个数量级，并结合数值模拟，得到在不同红移处星系以及星系际介质的各种性质，特别是星系的恒星形成率、气体含量、星系际介质的X射线、发射和吸收线，及其与活动星系核反馈的内在关系；发展并完成星系尺度上的高分辨率数值模拟程序，获得不同的反馈模式分别对星系中气体和恒星形成率的影响以及风与辐射各自在反馈中起到的作用；将基于最真实和准确的活动星系核物理，完成一组包含新模型的宇宙学数值模拟，大幅改进目前的宇宙学尺度星系形成与演化研究。二、研究内容（一）活动星系核风的观测研究：反馈的内边界条件。（二）星系尺度上的活动星系核反馈：观测研究。（三）星系尺度上的活动星系核反馈：数值模拟研究。（四）星系外大尺度上的研究：观测约束以及宇宙学数值模拟。“致密天体活动与爆发的宽能段时变与能谱研究”重大项目指南一、科学目标发现几百个伽马射线暴，建立MeV能区高统计性的伽马暴样本，理解伽马暴相对论喷流的伽马射线辐射机制；监测上百例引力波、高能中微子、快速射电暴等爆发现象，揭示它们的爆发机制以及黑洞、中子星等致密天体的并合物理过程和机制；系统地获得十余个吸积中子星双星和黑洞双星的高能X射线时变和能谱演化特征和分类，理解黑洞周围的吸积过程、相对论喷流的产生以及硬X射线辐射机制；测量约十个致密星（中子星或者黑洞）的基本参数（质量、磁场、自转），理解致密天体的基本性质；开展银道面巡天，监视约200个X射线天体的活动，发现致密天体硬X射线新的活动并且开展后随观测证认研究。二、研究内容（一）极端天体爆发的物理机制。（二）黑洞X射线双星系统吸积与喷流过程。（三）中子星X射线双星系统吸积盘与中子星相互作用。（四）河内宽能段的巡天监测和后随观测研究。“基于强太赫兹源的声子调控诱导电子新结构与物性研究”重大项目指南一、科学目标围绕声子调控诱导电子新结构与新奇物性的研究目标，在研究手段上发展必要的突破现有太赫兹光源性能极限的强场产生新方法，实现具有宽频（整体频谱范围覆盖0.1-50 THz）、强场（场强突破GV/m）、高重复频率、频谱连续可调等优异特征的强场太赫兹光源，并通过人工微结构实现太赫兹近场强光场微区再增强条件；重点开展强场下非平衡态电子的多自由度（电、热、磁、光、谷、轨道）动力学物理过程研究，揭示光子与各量子激发在超强太赫兹光场范畴内的相互作用新机理（如电子、声子及光子复合激发机理）；探索实现声子态调控的远离平衡态的新型量子态（如高温超导相、拓扑量子相、Floquet量子态等）及化学反应（如合成氨反应）的远离平衡态相干操控新效应。二、研究内容（一）强场太赫兹源调控电子行为的理论研究。（二）超强太赫兹光场构筑及实验方法研究。（三）强场太赫兹源对量子材料相干调控研究。“基于铌酸锂薄膜的超高速多维光场调控及其应用基础研究”重大项目指南一、科学目标针对片上全域光场快速调控的需求，通过超限制备技术突破铌酸锂薄膜新微纳结构、少层结构加工工艺，利用铌酸锂材料自身的多重特性，实现对光场以及部分相干光场的多维度超高速调控，实现对光场的强局域与非线性调控；发展基于电光效应的人工微结构光场多维调控新方法，并阐明其物理机理。从基础铌酸锂薄膜材料微纳加工技术开始，到片上集成光子器件，最后到片上光场快速调控，建立不同于现有光场调控的新体系。二、研究内容围绕基于铌酸锂薄膜的超高速多维光场调控技术，发展基于电光效应的人工微结构光场多维调控新机理与方法；突破现有微纳加工技术的能力限制，开展铌酸锂薄膜刻蚀机理及微纳芯片制造工艺研究，利用高品质铌酸锂薄膜光场调控芯片实现超高速多维光场调控及其应用。（一）铌酸锂刻蚀机理及铌酸锂薄膜微纳芯片制造技术。（二）铌酸锂薄膜莫尔晶格结构中光场局域及片上非线性增强。（三）铌酸锂薄膜少层微纳体系时空光场多维联合调控。（四）基于铌酸锂薄膜的光场相干性快速调控及应用。“粲夸克衰变中标准模型的精确检验”重大项目指南一、科学目标利用BESIII采集的海量粲强子样本，特别是在3.773 GeV采集的20 fb-1的数据，充分发挥近阈粲强子成对产生、背景低和量子关联等独特优势，开展中性粲介子量子关联特性的研究，精确测量相关不同末态的平均强相位差和CP本征态成分比例，为CKM矩阵的相角的精确测量提供关键参数；精确测量CKM矩阵元和，检验CKM矩阵的幺正性，探索新的CP破坏来源；精确测量粲强子衰变常数和半轻衰变形状因子，与格点QCD理论计算值比较，刻度格点QCD计算，探寻超出标准模型新现象；系统地研究粲强子的强子末态衰变，研究强子谱学和末态相互作用，检验夸克味对称性；研究粲强子衰变，高精度检验轻子普适性，寻找稀有或禁戒的衰变过程，精确检验标准模型理论、寻找超出标准模型的新物理；在理论上发展和完善非微扰能区的格点QCD计算和有效理论模型，理解粲强子弱衰变的动力学，检验相关的唯象模型，提高对粲强子衰变中CP破坏、衰变常数和形状因子等理论预言的精度。二、研究内容（一）阈值处中性粲介子量子关联性研究。（二）粲强子的强子末态衰变机制研究。（三）精确测量CKM矩阵元和粲介子衰变常数。（四）精确测量粲介子半轻衰变形状因子和检验轻子普适性。（五）粲强子衰变中探索新粒子和新相互作用。“基于LHAASO实验的粒子天体物理前沿问题研究”重大项目指南一、科学目标瞄准银河系内1015eV宇宙线起源这一重大问题，基于LHAASO实验数据精确测量每个超高能伽马射线源的辐射能谱、空间分布和时变，联合国内外射电、光学、X射线等设备数据完成相应天体源的多波段观测和分析，建立和优化多波段辐射模型，研究带电粒子在天体中的加速过程与辐射特征，寻找宇宙线起源和加速证据，同时基于LHAASO数据完成银盘弥散伽马射线、膝区宇宙线分成分能谱和宇宙线大尺度各向异性测量，建立宇宙线在银河系内的起源、加速和传播的整体图像。二、研究内容（一）超高能伽马射线源的搜寻与测量。（二）伽马射线源多波段多信使研究。（三）伽马射线源内的粒子加速、辐射与输运过程的研究。（四）星际介质中弥散伽马射线相关物理研究。（五）基于宇宙线的能谱和各向异性测量研究其起源和传播。“先进核能系统中材料的若干协同损伤作用机理研究”重大项目指南一、科学目标瞄准服役于聚变能等先进核能的典型材料，充分利用国内大型托克马克、高热负荷测试和多束离子辐照等装置，厘清高能中子-嬗变氢氦、中子辐照-粒子流-热负荷两类协同损伤作用的耦合机制；阐明多种因素作用下材料遭受的协同损伤效应的机理；建立能够模拟上述协同损伤作用的实验与计算模拟方法；基于计算和实验模拟，实现在聚变堆等综合服役环境下国产低活化钢、氧化物弥散强化（ODS）钢、钨基合金等关键材料的筛选及性能评估。二、研究内容（一）高能中子辐照的离位损伤与氢、氦对材料的协同损伤作用机制研究。（二）高能中子辐照离位损伤与热负荷、粒子流对聚变堆第一壁协同损伤的作用机制研究。（三）多因素协同损伤效应的长时大尺度计算模拟方法建立。（四）聚变中子-氢-氦协同效应的多离子束模拟实验方法建立。“高精度X射线反射镜的关键科学与技术问题”重大项目指南一、科学目标基于超高精度反射镜表面形貌对相干X射线波前传输的影响，研究单晶硅纳米形貌的原子级构建规律，揭示超强X射线辐照下单晶硅材料和薄膜的损伤机理及力热变形机制；建立跨尺度全频谱纳米表面形貌的在线和离线高精度表征方法，发展大尺寸超高精度反射镜的复合加工技术和集成技术，实现相干X射线波前的在线实时操控和自适应主动补偿；形成具有自主知识产权的X射线高精度反射镜的全链条创新技术体系。二、研究内容（一）大尺寸复杂轮廓单晶硅纳米精度表面形貌构造规律研究。（二）全频谱纳米形貌的综合检测评估方法研究。（三）高亮度相干X射线与材料表面相互作用机制。（四）光机集成系统中跨尺度表面形貌的多物理场影响规律研究。

透明熔融石英玻璃作为一种不可或缺的重要材料，在现代社会中具备广泛应用价值。其卓越性能使得它在日常生活、科学和工业领域均发挥着重要作用。尽管熔融石英玻璃具备卓越的光学性能、热稳定性和化学耐久性等优异特点，但其高硬度和高脆性使得其可加工能性备受诟病。目前，传统熔融石英玻璃微结构制备工艺面临着流程复杂、成本高昂以及材料易碎等诸多挑战，并且在实现复杂三维（3D）结构方面仍然存在巨大困难。这给新型玻璃微纳米器件的开发、高效制造和在先进功能领域的应用带来了巨大的挑战。近年来，以3D打印/增材制造为代表的先进制造技术为玻璃加工行业带来了全新变革和重大突破。相较于传统的减材及等材成型工艺，这些新兴技术以数字设计和逐层累积为手段，成为赋予玻璃构件极高设计自由度和精确成型能力的强大工具，使得制造任意熔融石英玻璃三维结构成为可能。德国Karlsruhe理工学院科学家利用立体光刻（SLA）技术制备玻璃已取得重要突破（Nature, 2017, 544），成功实现了玻璃制品在质量、复杂度和精确度诸多方面的显著提升。这一里程碑式的进展也预示着通过3D打印技术制造具有出色光学性能的玻璃结构离普及更近了一步。随着时间的推移，全球范围内的研究者一直在不断努力提升玻璃打印技术的精确性。通过采用双光子飞秒激光直写（TPP-DIW）技术，实现了微纳米尺寸3D分辨率的玻璃结构的有效成形（Adv. Mater., 2021, 33）。然而，尽管立体光刻和双光子飞秒激光直写已分别实现了约50 μm和约100 nm的成型分辨率，并在宏观及纳观尺度上显著扩展了玻璃三维构件的应用领域，但由于3D打印技术在精度和效率方面存在固有矛盾，迄今为止，已有文献中报道的方法无法有效地制造出既具有毫米/厘米级尺寸又带有亚微米级特征的复杂玻璃三维结构。这一限制严重影响了该技术在微光学、微流控、微机械及微表面等先进领域上的应用。有鉴于此，香港理工大学3D打印中心温燮文教授联合香港大学机械工程系陆洋教授，在此前工作（Nat. Mater., 2021, 20, 1506）基础上更进一步，提出了一种通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术制备同时具有亚微米特征及毫米/厘米级尺寸的熔融石英玻璃三维构件的方法。研究者选择了聚乙二醇功能化的二氧化硅纳米颗粒（平均直径~11.5 nm）胶体和两种丙烯酸酯作为聚合物前驱体，保证二氧化硅纳米颗粒良好的相容性和分散性。结合面投影微立体光刻3D打印灵活地创建具有复杂的三维亚微米结构的高性能透明熔融石英玻璃，其分辨率、构建速度及成型幅面均超越了目前大多数其他3D打印玻璃技术几个数量级。 图1：通过面投影微立体光刻3D打印所得透明熔融石英玻璃。（a）面投影微立体光刻3D打印示意图，呈现了打印所得熔融石英玻璃制成微缩维多利亚港的光学和电子显微镜图像。（b）复合纳米前驱体的各化学组分。（c）面投影微立体光刻3D打印透明熔融石英玻璃微透镜阵列在高温环境下展示了出色的稳定性。（d）4 × 6阵列的透明熔融石英玻璃蜂窝结构的光学和电子显微镜图像，其中央的细长悬线具有亚微米级别尺寸。（e）该方案所制备的熔融石英玻璃在分辨率及成型速度上的关系图，及与已报道的其他同类技术的比较。 图2：面投影微立体光刻3D打印所得具有多尺度临界特征的透明熔融石英玻璃多层级点阵。（a）多层级点阵结构；（b）多层级点阵网络；（c & d）单个多层级点阵胞元；（e）多层级架构；（f）基础点阵；（g & h）基础杆件及其具备的亚微米特征。尺寸跨度由mm逐步减少到nm，接近5个数量级。利用面投影微立体光刻3D打印透明熔融石英玻璃微透镜阵列，其具有亚纳米级别的表面粗糙度（Ra≈0.633 nm）。同时，研究者展示了通过3D打印制造的熔融石英玻璃微透镜阵列在成像方面的出色能力，具备优良的均匀性、清晰度、对比度和锐度。 图3：面投影微立体光刻3D打印的具有亚纳米级别表面粗糙度的熔融石英玻璃微透镜阵列。单个透镜的高精度光学显微镜图像，方框区域显示了白光干涉共聚焦显微镜测试结果，沿XY方向均能实现亚纳米级别表面粗糙度，以此制备高均匀性、高清晰度、高对比度和高锐度的微透镜阵列。面投影微立体光刻3D打印技术赋予了熔融石英玻璃微流体器件高精度、简化工艺、高直视性、大结构尺寸及复杂三维设计自由度，进一步展现出该器件出色的液滴/流体操控能力。 图4：面投影微立体光刻3D打印具备超疏水性能的仿生三维熔融石英玻璃微表面结构，以及具有Y型流道的免键合三维熔融石英玻璃微流控芯片。超疏水仿生三维熔融石英玻璃微表面展现了极佳的液滴黏附能力（即“花瓣效应”），即使在翻转180°后仍能牢固锁住液滴；在免键合Y型流道三维熔融石英玻璃微流控芯片，由于表面张力占主导，两种流体呈现了不互溶的“层流”现象。该工作进行于香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室，相关成果以“One-photon Three-dimensional Printed Fused Silica Glass with Sub-micron Features”为题发表于国际期刊《自然通讯》（Nature Communications）上，课题组2020级博士研究生黎子永为该论文第一作者。在该研究中，熔融石英玻璃三维微纳样品由摩方精密2 μm精度的nanoArch® P130超高精密3D打印系统制备。相关技术已申请专利，后续将与摩方精密合作进行商业化应用。