原子尺度检测

图1借助电场调控原子扩散获得两种不同异质结构的原位制备过程 在国家自然科学基金项目（批准号：11525415，61601116，51420105003）等资助下，东南大学孙立涛教授团队在“可视化”原子尺度制备研究方面取得进展。研究成果以“通过调控原子扩散实现不同异质结构的原位制备（Tailoring atomic diffusion for in situ fabrication of different heterostructures）”为题，于2021年8月10日在《自然通讯》（Nature Communications）在线发表。　　具有优异性能的异质纳米结构对于新型电子器件的开发与制造尤为重要。扩散被认为是制备异质纳米结构的主要技术方法，然而现有方法很难实现原子尺度扩散的精准调控，也很难实现单一异质纳米结构的可控合成，这严重制约了未来纳米器件的制造精度与制造水平。　　针对以上问题，孙立涛教授研究团队发展了一种基于原位透射电子显微技术的“可视化”原子尺度制备方法，通过电场调控实现了同一体系两种不同异质结构纳米单体（核壳结构和分段异质结构）的原位制备(图1)。与传统制备方法相比，不但制备的可控性好，整个制备过程还实现了原子尺度上的实时观测，原子的扩散迁移机制和结构相变过程等一目了然。该方法通过电场方向控制原子发生定向扩散的方向，焦耳热引起的温度变化调控原子扩散方式（表面扩散或体扩散），从而制备不同异质结构的纳米单体。该研究成果表明电场调节原子扩散是一种可控制备单一异质纳米结构的有效方法，同时也有助于更好地理解材料间原子扩散方向和扩散方式的微观驱动力和相关机制，让原子尺度制备方法更精准、更可控。　　“可视化”原子尺度制备是孙立涛研究团队提出的基于原位电子显微学技术，集力、电、光、热等多种加工手段于一体，实现原子尺度下材料与器件的精准制造与实时表征的新方法，不但可以直接揭示原子制备过程中的新原理、新机制，对实现稳定、可控的原子尺度制造也具有重要推动作用。

据物理学家组织网近日报道，一个由美国密歇根大学等单位研究人员组成的国际小组开发出一种纳米级的&ldquo 温度计&rdquo ，能从原子尺度测量热散逸，并首次建立了一种框架，来解释纳米级系统的热散逸现象。这一成果为开发体积更小、功能更强的电子设备扫除了一项重要技术障碍。相关论文发表在《自然》杂志上。 电流通过导电材料时会产生热，理解电子系统中热是从哪里产生的，有助于工程师设计性能可靠而高效的计算机、手机和医疗设备等。在较大线路中，人们很容易理解热是怎样产生的，但对纳米尺度的终端，经典物理学却无法描述热和电之间的关系。这些设备可能只有几个纳米大小，或由几个原子构成。 原子与单分子接点代表了电路微型化的最终极限，也是测试量子传输理论的理想平台。要描述新功能纳米设备的电荷与能量传输，离不开量子传输理论。在今后的20年，计算机科学与工程人员预期可能会在&ldquo 原子&rdquo 尺度开展工作。但由于实验条件限制，人们对原子设备的热散逸与传播还了解甚少，也为开发新型纳米设备带来了很大障碍。 该研究领导者、密歇根大学机械工程和材料科学与工程副教授普拉姆德· 雷迪说：&ldquo 目前晶体管已经达到极小量度，在20或30纳米级别。如果该行业继续按照摩尔定律的速度发展下去，线路中晶体管体积缩小的速度是其密度的两倍，如此离原子级别已经不远。然后，最重要的事情就是要理解热量散播和设备电子结构之间的关系，如果缺乏这方面的知识，就无法真正掌控原子级设备，我们的研究首次揭示了这一领域。&rdquo 雷迪实验室博士生李宇哲（音译）等人开发出一种技术，特制了一个稳定的原子设备和一种纳米大小的温度计，将二者结合做成一种圆锥形工具。在分子样本线路中，圆锥形工具和一片黄金薄片之间能捕获一个分子或原子，以研究其热散逸。他们通过实验显示了一个原子级系统的变热过程，以及这一过程与宏观尺度变热过程的不同，并且设计了一个框架来解释这一过程。 雷迪解释说，在可接触的宏观世界里，当电流通过导线时，整个导线都会发热，与其相连的所有电极也是如此。相比之下，当&ldquo 导线&rdquo 是纳米大小的分子，而且只和两个电极接合时，温度升高主要发生在二者之一中。&ldquo 在原子级设备中，所有热量集中在一个地方，很少会到其他地方。&rdquo 雷迪说：&ldquo 我们的研究还进一步证实了物理学家列夫· 朗道提出的热散逸理论的有效性，并深入理解了热散逸和原子尺度的热电现象之间的关系，这是从热到电之间的转变。&rdquo

近日，东南大学孙立涛教授团队与美国劳伦斯伯克利国家实验室郑海梅教授团队和华东理工大学方海平教授团队合作，结合实验和分子模拟，首次从原子尺度揭示了刻蚀过程中完整的固-液-气三相反应的机制。2022年5月26日，相关研究以“Solid–liquid–gas reaction accelerated by gas molecule tunnelling-like effect”为题发表在Nature Materials上。研究团队也以此文献礼东南大学120周年华诞。该工作的通讯作者是东南大学的孙立涛教授，美国劳伦斯伯克利国家实验室郑海梅教授以及华东理工大学的方海平教授。王文博士（现工作单位为郑州大学）、徐涛副研究员、陈济舸副研究员为共同第一作者。研究团队基于原位电子显微学系统实时观察了纳米气泡可加速（~20倍）湿法刻蚀的全过程，首次从原子尺度揭示了刻蚀过程中完整的固-液-气三相反应机制，为发展高效、高精度制造工艺与方法提供了新的实现手段和制造原理。湿法刻蚀广泛应用于半导体制造等重要领域，但湿法刻蚀方向选择性有限，很难得到尺寸精确可控的微纳结构。微纳尺度的固-液-气反应是集成电路制造中的基本物理化学过程，还涉及晶体管加工中的清洗、抛光等关键工艺。当前7nm、5nm等先进晶体管器件对于内部金属、半导体和介电层等结构的几何尺寸具有亚纳米级的严苛精度要求。受限于表征手段，上述工艺研发仅能依靠离线检测手段表征。该研究结果对建立工艺参数-结构尺寸模型，加速工艺研发具有基础性支撑作用。该项研究中涉及的固-液-气三相反应在自然界和工业界广泛存在，除湿法刻蚀外，还有如大气腐蚀、生物有氧呼吸、光催化、燃料电池等。由于在纳米尺度追踪单个颗粒以及三相界面的演变非常困难，所以一直缺乏对反应动力学的定量分析和对三相界面处气体传输机制的准确理解。孙立涛教授团队利用电子束辐解水产生氧气气泡，构建并实时观察了溴化氢水溶液中氧气气泡刻蚀金纳米棒的固-液-气三相反应（如图1所示）。图1：液体池内建立的固-液-气反应示意图。观察发现，当金纳米棒周围没有纳米气泡时，该纳米棒逐渐被氧化刻蚀演变成表面光滑的椭球形并最终消失；但当金纳米棒周围存在纳米气泡时，靠近纳米气泡的位置的纳米棒会被加速刻蚀，并演变成局部凹陷的结构。值得指出的是，当发生局部凹陷时，纳米棒和纳米气泡并非是直接接触的，二者之间存在超薄液膜（如图2所示）。大量实验结果定量分析可知，仅当纳米气泡与固体之间的距离小于临界尺寸（~1 nm）时，刻蚀速率才显著提升（一个量级以上）；否则，刻蚀速率几乎不变。纳米气泡参与刻蚀反应存在临界距离的这一发现，颠覆了一般认为“气泡越靠近固体反应物反应越快”的传统认知。图2：存在氧气纳米气泡时金纳米棒的刻蚀过程。图3：纳米棒顶部有氧气纳米气泡时的刻蚀过程。华东理工大学方海平教授团队和中国科学院上海高等研究院陈济舸副研究员等，利用经典分子动力学和第一性原理分子动力学模拟指出，纳米气泡的存在并未影响溴离子在金纳米棒的表面的吸附位置，而纳米气泡中释放的氧气分子在金纳米棒表面吸附是加速反应的关键。当纳米气泡与金纳米棒表面之间液层的厚度大于~1 nm时，纳米气泡所释放的氧气分子通过浓度梯度主导的扩散穿过液层到达金纳米棒表面，此过程速度较慢。但当纳米气泡与金纳米棒表面之间液层的厚度减小到~1 nm以内时，氧气分子的输运过程具有“类遂穿”效应，氧气分子以极高速度穿过液层吸附到金纳米棒表面，从而极大地加速了刻蚀反应。该研究首次从原子尺度揭示了完整的固-液-气反应路径：（1）当液层厚度大于临界值时，氧气分子在液层中经历浓度梯度主导的扩散；（2）当液层厚度小于临界值时，氧气分子在范德华力作用下迅速吸附在固体表面上；（3）氧气分子在固体表面参与化学反应（如图4所示）。该成果使得湿法刻蚀技术在刻蚀方向、尺寸的可控性大幅提升成为可能，也极有可能发展为未来微纳加工领域的新技术。此外，研究人员提出了几种适用于不同场景提升三相反应的方法，对未来调控涉及固-液-气三相的微纳加工、多相催化等过程具有重要意义。图4：金纳米棒的固-液-气刻蚀机理。为了验证该机制的普适性，孙立涛教授团队还在溴化氢水溶液中研究了氧气气泡对钯纳米立方块的刻蚀，并得到了一致的结论。该工作得到了国家杰出青年基金项目、国家重大科研仪器设备研制专项项目、国家自然科学基金国际合作项目、国家自然科学基金面上项目、上海市自然科学基金等项目的支持。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01261-x

INSTEMS系列为用户提供了7种原位TEM实验平台。其中包含三种单外场施加平台，三种双外场耦合平台和一种三外场耦合平台。三种单外场产品为INSTEMS-M（力学加载）、INSTEMS-E（电学加载）和INSTEMS-T（热场加载）；三种双外场耦合产品为INSTEMS-ME（力电耦合）、INSTEMS-TE（热电耦合）和INSTEMS-MT（力热耦合）；一种三外场耦合产品为INSTEMS-MET（力热电耦合）。产品介绍：BST-INSTEMS-M使用的MEMS集合精密的芯片结构与压电驱动器，力学加载方向与双倾台平面平行。高精度力学驱动（0.1nm等级驱动）与双倾系统互不干扰，能在力学加载的同时稳定的观察高质量原子尺寸的像。另外，可根据客户需求配置不同结构的芯片，满足不同尺寸形状不同加载模式力学实验要求。突出优势：1、多种力学加载模式：拉伸/压缩/压痕/弯曲/冲击/蠕变/疲劳 自动/手动/循环加载 牛顿级驱动器( 100 mN) pm级驱动控制 2、双轴倾转：α 轴倾转最高至±20° β 轴倾转最高至±10°3、稳定的原子尺度成像：极限样品漂移＜50 pm/s空间分辨率≤0.1 nm技术指标最大驱动力 100 mN最大驱动范围4 μm驱动精度百实创-原子尺度双倾力学测试系统

INSTEMS系列为用户提供了7种原位TEM实验平台。其中包含三种单外场施加平台，三种双外场耦合平台和一种三外场耦合平台。三种单外场产品为INSTEMS-M（力学加载）、INSTEMS-E（电学加载）和INSTEMS-T（热场加载）；三种双外场耦合产品为INSTEMS-ME（力电耦合）、INSTEMS-TE（热电耦合）和INSTEMS-MT（力热耦合）；一种三外场耦合产品为INSTEMS-MET（力热电耦合）。产品介绍：INSTEMS-MET采用独特的MEMS芯片设计和新颖的集成策略，克服了多场耦合的诸多兼容性难题，完美保存了TEM样品杆的双轴倾转功能。可以在TEM中向样品施加力、热、电三种外场，实现外场的灵活组合，原位观察材料原子尺寸微观结构变化。该产品极大地拓宽了原位电子显微学的研究范畴，是科研工作者研究复杂力/热/电环境下材料的强大工具。突出优势：1、灵活热/力/电场耦合超宽加热范围 ( RT-1200 oC ) 超高加热精度( 100 mN) pm级驱动控制多种加载模式多种通电程序pA级电学测量2、双轴倾转α 轴倾转最高至±25° β 轴倾转最高至±25°3、稳定的原子尺度成像极限样品漂移＜50 pm/s空间分辨率≤0.1 nm技术优势：ItemParametermini-lab兼容性MT/TE/ME/M/E/T加热范围RT up to 1200 ℃ *加热准确性≥98%加热速率10000 °C/s最大驱动力 100 mN最大驱动位移4 μm驱动精度电流测量范围1 pA-1 A空间分辨率≤0.1 nmEDS兼容性√应用领域：半导体电池安全器件失效热电材料… … 创新点：1、独特设计与精密加工的MEMS芯片排除了热膨胀或者样品抖动带来的干扰，提高实验成功率。 2、多通道信号传输保障多场的独立控制与信号采集 3、三场耦合大大提高了工作效率以及研发者的使用需求 百实创-双倾力热电集成系统 原子尺度分辨 原位

【科学背景】光场的衍射限制基于光子动量的不确定性关系，制约了光场局部化的极限，尤其是在使用介质结构时更为显著。传统的等离子体技术虽然能够实现较小的模体积，但却不可避免地伴随着能量损耗和相干时间的限制，这限制了其在高效能计算和通信中的应用。为解决这一问题，近年来，北京大学的马仁敏团队提出将介质结构与纳米技术相结合的新思路。通过将介质蝴蝶形纳米天线集成到扭曲格子纳米腔中，实现了光场的超越衍射限制的极端局部化。这一研究不仅发现了介质蝴蝶形纳米天线中的电场奇异性，源自动量的发散，还成功制备了具有单纳米间隙的高精度纳米结构。【科学亮点】1. 本研究首次在介质纳米激光器领域实现了对光场的亚波长限制局域化。通过将介质蝴蝶形纳米天线集成到扭曲格子纳米腔的中心，作者创造性地实现了超小尺度的模体积，迈向了极端光场局域化的新境界。2. 作者采用了刻蚀和原子层沉积的两步法制备所需的介质蝴蝶形纳米天线，精确控制了其顶端的纳米级间隙。3. 在实验中，作者发现介质蝴蝶形纳米天线顶端的电场奇异性源于动量的发散，导致高度集中的场。该结构在1纳米尺度上实现了异常小的特征尺寸，并实现了约0.0005 λ3的超小模体积。【科学图文】图1：奇异介质纳米激光器中的电场无限奇点。图2：具有原子尺度间隙尺寸纳米天线的奇异介质纳米激光器的制备。图3：单介质纳米激光器的激光特性。图4：奇异介质纳米激光器的模式特性。图5：非积分拓扑电荷与原子尺度定域光场。【科学结论】这项研究通过整合介质纳米结构和光子晶体的独特设计，突破了传统光学衍射限制，实现了光场在原子尺度上的极端局部化。传统上，光场的空间局部化受到材料介电常数的限制，难以将光场压缩至亚波长尺度。然而，本研究通过设计介质蝴蝶形纳米天线和扭曲格子纳米腔的协同结构，有效地利用了动量的发散机制，产生了在纳米尺度上高度集中的电场。这一发现不仅展示了介质纳米器件在光场控制方面的潜力，还为超精密测量、超分辨率成像和高效计算通信等应用提供了新的技术路径。本研究不仅拓展了光场压缩的实现途径，还挑战了人们对介质材料局部化能力的传统认知。通过实验验证介质蝴蝶形纳米天线的电场奇异性是由动量发散引发的，为进一步理解和优化介质纳米结构的设计提供了理论基础。原文详情：Ouyang, YH., Luan, HY., Zhao, ZW. et al. Singular dielectric nanolaser with atomic-scale field localization. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07674-9

当前，信息技术的高速发展对半导体器件的热管理提出了更高的要求：一方面需要使用更好的散热材料（如石墨烯、金刚石等），另一方面需要降低接触界面热阻。对于小尺寸的高功率器件而言，界面的导热能力实际上已经成为制约器件性能提升的瓶颈，因此，研究其界面导热机制尤其重要。在半导体器件中，界面热导主要是由异质结界面附近的几个原子层产生的界面声子决定的。但目前人们对于界面声子如何影响界面热导知之甚少，主要原因是缺乏有效实验测量界面声子的手段。图 (a) AlN/Si异质结界面处的原子分辨图；(b) AlN/Si异质结界面的EELS谱；(c) AlN/Si和AlN/Al异质结四种不同界面模式的声子态密度分布及对界面热导的贡献近来，北京大学物理学院量子材料科学中心、电子显微镜实验室高鹏教授课题组，发展了兼具空间分辨和动量分辨能力的四维电子能量损失谱技术（Nature Communications 2021, 12, 1179 发明专利：ZL202011448013.7），并展示了可应用于异质结界面声子色散的测量（Nature 2021, 559, 399)。最近，他们和清华大学、南方科技大学等合作，利用该谱学方法测量了第三代半导体氮化铝（AlN）与硅（Si）衬底、金属铝（Al）电极等界面的晶格动力学行为，并探索了不同界面的声子传输行为及其对界面热导的贡献。联合研究团队发现AlN/Si和AlN/Al的界面声子模式迥然不同，从而导致界面热导数倍的差异。通常，界面声子可以分为四类：扩展模式、局域模式、部分扩展模式和孤立模式。其中，扩展模式和局域模式与界面两侧的体态声子都有很强的关联，使得一侧的声子通过弹性/非弹性散射穿过界面到达另一侧，充当连接两侧体态声子的桥梁，从而有助于提升界面热导；而部分扩展模式和孤立模式对界面热导贡献很小。联合研究团队首先在AlN/Si异质结界面上观测到了界面模式具有明显的桥效应：界面存在原子尺度局域的声子模式，与界面两侧AlN和Si的不同能量的体声子都能发生非弹性散射从而交换能量；此外，也观察到了明显的界面扩展模式。这两种模式都能有效促进界面热量的传输。而在AlN/Al界面，并没有观察到明显的由局域模式或扩展模式构成的声子桥，其界面声子模式主要为部分扩展模式，对热量的传输效率较低。这些结果解释了为什么AlN/Al的界面热导要远小于AlN/Si。该工作深化了对界面声子传输和热输运的理解，尤其为基于氮化物的高电子迁移率晶体管和大功率发光二极管等高功率半导体器件的热管理提供了有价值的信息。2022年2月18日，相关成果以“原子尺度探测氮化物半导体异质结界面声子桥”（Atomic-scale probing of heterointerface phonon bridges in nitride semiconductor）为题，在线发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。北京大学物理学院量子材料科学中心2017级博士研究生李跃辉为第一作者，高鹏为通讯作者，其他主要合作者包括北京大学物理学院的研究助理亓瑞时、2018级博士研究生时若晨，清华大学胡健楠博士、马旭村教授、罗毅院士，以及清华大学和南方科技大学薛其坤院士等。上述研究工作得到国家自然科学基金，以及量子物质科学协同创新中心、怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台、北京大学高性能计算平台等支持。论文原文链接：https://www.pnas.org/content/119/8/e2117027119

美国能源部橡树岭国家实验室研究人员与瑞典乌普萨拉大学的同行合作，开发出一种新型电子显微技术，可在原子尺度上检测材料的磁性。研究人员称，这一技术或可为制造体积更小的磁性硬盘驱动器提供新思路。　　在电子显微技术领域，光学镜头造成的像差是一个让人头疼的问题，像差的扭曲效果会使图像模糊，不利于观测。因此，在过去数十年，研究人员一直想方设法消除各种像差，以求得到更清晰的图像。但此次橡树岭国家实验室和乌普萨拉大学的研究人员却反其道而行之，他们不但没有设法完全消除像差，还有意添加了一种被称为四倍散光的像差，利用这种像差效果成功地从镧锰砷氧化材料中收集到了原子水平的磁信号。　　研究人员称，这还是第一次有人利用电子显微镜的像差效果来检测材料的磁性。在原子尺度上检测材料的磁性特点具有重要意义，但目前使用的观测手段还不足以让他们在这么小的尺度上进行观测，新方法则赋予了他们一个全新的观测手段，使其有了研究材料的全新方式，具有重要价值。比如，利用这种方法可在原子尺度上弄清磁性硬盘驱动器的磁性特点，从而造出体积更小的硬盘驱动器。　　研究人员还指出，这一新的电子显微技术是对现有技术，如X射线光谱和中子散射技术的有效补充。这些技术是目前研究磁性的标准技术，但其分辨率不够高，而新技术明显弥补了这一缺点。

p style=" text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 1986年4月，瑞士科学家穆勒和柏诺兹发现Ba-La-Cu-O材料在35K时开始出现超导现象。1986年底，中国科学院物理研究所赵忠贤院士团队和国际上少数几个小组几乎同时在镧钡铜氧体系中突破了“麦克米兰极限”，获得了40K以上的高温超导体。一时间，世界物理学界为之震动，“北京的赵”多次出现在国际著名科学刊物上。 /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 同年，李建奇在中国科学院物理研究所开始其凝聚态物理专业研究生阶段学习，正是师从赵忠贤院士，从事超导材料研究。后来，鉴于电镜对功能材料的结构解析能力比较强，便于研究，李建奇到李方华院士实验室进行相关电镜技术研究工作，至此，开始与电子显微学结缘。此后的科研工作也基本围绕电子显微学技术，从物理所围绕低温超导材料研究从事的低温电镜技术，到日本无机材料研究所围绕巨磁电阻材料研究的超高压电镜技术，到2002年归国回到物理所担任中国科学院北京电镜实验室主任，再到至今一直从事的超快电子显微学研究及设备搭建。 /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 近日，仪器信息网编辑有幸走进李建奇老师实验室，听李建奇老师分享了从原子尺度认知世界的前沿超快电子显微学技术，以及其与超快电子显微术的故事。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 334px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/06359024-a4b4-4a78-9c11-3f7f371f93da.jpg" title=" 李老师-.jpg" alt=" 李老师-.jpg" width=" 500" height=" 334" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 112, 192) text-indent: 2em text-align: center " 李建奇： 中国科学院物理研究所研究员，博士研究生导师。曾获中科院百人计划（1998年），国家杰出青年（2002年），国家杰出青年团队成员（2002年），北京科学技术二等奖（2003）。主要从事强关联物理系统结构问题的研究，侧重于发展超快电子显微术，原位结构分析和Lorentz电子显微术。近期李建奇研究组采用独立研制技术路线成功研制了国内首台超快电镜，可实现超快电子衍射、超快实空间成像和激光原位诱导的结构变化观测，对结构动力学、新奇量子现象的探索和动态物理过程研究具有重要意义。 /span /p p style=" text-indent: 2em margin-top: 10px " & nbsp span style=" text-indent: 2em " 随着国家一系列重大专项的实施，“纳米科技”、“量子调控”和“蛋白质工程”等具有前瞻性和战略性的前沿科学逐渐为人们所熟知。前沿科学的发展，诚然离不开本领域专家和学者的努力，但同样也离不开交叉领域，特别是实验技术领域的进步。超快透射电子显微镜（超快电镜），因能够在埃(1埃=10-10 米)-亚皮秒(1皮秒=10-12 秒)的空间-时间尺度拍摄结构的动力学过程，为解决多个重大学术问题提供关键线索，而备受全球物理学、化学、材料学和生命科学等多个领域的关注。例如，为了在原子尺度下研究药物的工作机理，2018年初英国罗莎琳德· 富兰克林研究所已决定投入1000万英镑与日本电子公司（JEOL）来共同开发超快电子显微镜技术。国内，中国科学院物理研究所（物理所）的李建奇研究员在大力发展超快电子显微镜技术。他们已完成了国内第一台超快电镜样机搭建工作，正在开发第二代超快电子显微技术，并积极同其它领域的专家合作推动超快电镜在前沿科学领域的应用。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 333px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/2eb740db-ce71-4c78-aaab-95a9242a271c.jpg" title=" 办公室.jpg" alt=" 办公室.jpg" width=" 500" height=" 333" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" margin-top: 10px text-indent: 0em text-align: center " span style=" text-align: center text-indent: 0em color: rgb(0, 112, 192) " 李建奇办公室一角：专业内容之外，不乏书法、天文、地理等奇趣 /span /p h1 label=" 标题居中" style=" font-size: 32px font-weight: bold border-bottom: 2px solid rgb(204, 204, 204) padding: 0px 4px 0px 0px text-align: center margin: 0px 0px 20px " span style=" color: rgb(0, 0, 0) font-size: 18px " strong span label=" 明显强调" style=" color: rgb(0, 0, 0) font-style: italic font-weight: bold line-height: 18px " 一、超快透射电子显微镜——原子尺度的录像机 /span /strong /span /h1 p style=" text-indent: 2em " 结构决定功能，高精度结构研究是解析物质性并实现其宏观调控的关键。那么如何来研究物质的结构呢？所谓“眼见为实”，看到“结构”是其中关键的一步。然而，对于前沿科技所关注的纳米材料和蛋白质分子来说，“看得到”并不是一件容易的事情。两者的空间尺寸大约在0.1-100纳米（1纳米=10-9米）这个量级，远远小于人眼空间分辨率的极限，约100微米(1微米=10-6米)。近几年光学成像技术虽然取得了开创性的进展，超分辨光学显微镜的分辨率能够达到几十个纳米左右，但仍然观测不到纳米材料和生物大分子的结构细节。 /p p style=" text-indent: 2em " 高分辨电子显微镜是人们认识微观世界的重要工具。先进的球差校正透射电子显微镜具有0.05纳米的空间分辨率，能够拍摄单个原子的图像，是揭示材料微观结构的有效手段。利用透射电子显微镜配套的电子能量损失谱和电子全息，可以获取纳米材料的谱学信息，以及其周围纳米尺度电、磁场的分布等多重物理信息，为把握物质的宏观属性及实现性能调控提供重要线索。特别指出的是，随着冷冻电镜技术的发展，电子显微技术已经可以用于在原子尺度上构建生物大分子的三维结构。2017年，Jacques Dubochet、 Joachim Frank 和Richard Henderson三位科学家因在冷冻电镜在生命科学领域的贡献而获得了诺贝尔化学奖。 /p p style=" text-indent: 2em " 电子显微镜能够“看得到”原子尺度微结构的强大功能，使它在微观结构解析中有着不可替代的作用。然而，随着研究工作的不断深入，人们发现仅仅看到静态的微观结构（平衡态）是不够的，要想深入分析结构对物性的影响并实现宏观调控还需要厘清微观结构的动态过程（非平衡态）。也就是说，我们不仅需要有一台很好的“照相机”能拍摄到原子尺度结构的照片，还需要有一台很好的“录像机”能够拍摄原子尺度的动态过程。这是一件非常困难的事情。物理学中的电子态演化、原子分子振动，化学反转中化学键的断裂、分子解离以及生物光合作用中的能量传递过程大多发生飞秒（1飞秒=10-15秒）至皮秒量级的时间尺度；生物大分子振动、转动，蛋白质分子折叠过程通常发生纳秒量级的时间尺度。因此，为了研究这些超快的动态过程，“录像机”必须有极高的时间分辨率，每秒能够拍摄一万亿张以上照片。这显然远超CCD相机等常规录像设备的极限。 /p p style=" text-indent: 2em " 电子显微技术在时间分辨率上的突破得益于超快激光技术的发展，利用飞秒激光泵浦-探测技术，目前超快电镜的时间分辨率可达100飞秒以下。图1简要的说明了超快透射电子显微镜的工作原理。该方法的巧妙之处主要有两点。一是利用脉冲电子成像，解决快速曝光问题。飞秒激光辐照电子显微镜阴极能够产生与激光脉宽相近的光发射脉冲电子。考虑到脉冲电子本身带有的时间宽度信息，利用飞秒脉冲电子成像，能够将相对曝光时间控制在飞秒量级。二是将时间问题转化为空间问题，解决超快计时问题。光的速度约为3× 10 sup 8 /sup 米/秒，也就是说，光每走1微米的光程需要3.33飞秒，控制激发（泵浦）激光脉冲和成像电子脉冲之间的在微米量级的光程差就可以实现飞秒量级的计时。通过多次改变光程差，我们就可以得到相对于泵浦激光不同时间间隔的结构信息，可以像老式的胶片电影放映一样，将微观结构的在原子尺度的动态过程播放出来。超快电镜除能够在实空间、倒易空间、能量空间提供信息外，还能提供原子尺度时间域的结构信息，因此也被命名为四维电子显微镜。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 425px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/bc040bb2-6017-47fa-944d-aa2a53f1464f.jpg" title=" 图1.jpg" alt=" 图1.jpg" width=" 400" height=" 425" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" color: rgb(0, 32, 96) " & nbsp span style=" text-indent: 2em color: rgb(0, 112, 192) " 图1 超快透射电子显微镜原理示意图 /span /span /p h1 label=" 标题居中" style=" font-size: 32px font-weight: bold border-bottom: 2px solid rgb(204, 204, 204) padding: 0px 4px 0px 0px text-align: center margin: 10px 0px 20px " span style=" font-style: italic font-weight: bold line-height: 18px font-size: 18px color: rgb(0, 0, 0) " 二、物理所超快透射电子显微镜的发展 /span /h1 p style=" text-indent: 2em " strong span style=" text-indent: 2em " 1. 第一代超快透射电子显微镜 /span /strong /p p style=" text-indent: 2em " 脉冲电子成像的概念在上世纪80年代由柏林工业大学的Bostanjoglo教授提出，然而，直到最近的十几年，人们才将超快电镜的时间-空间分辨率提升至埃-飞秒量级。其中，诺贝尔化学奖的得主，“飞秒化学”的创始人，加州理工大学的Zewail教授为四维电子显微技术的发展作出了巨大的贡献。目前，来自美国、加拿大、德国、法国、瑞士、日本以及韩国的多个课题组都在大力发展这项超快成像技术。2012年，中国科学院物理研究所的李建奇研究员团队在中科院科研装备研制项目的支持下，率先在国内发展超快透射电子显微技术。该团队先后攻破了光发射电子枪改造技术、样品室改造技术、激光-电镜联机技术、以及弱电子计量成像技术等技术壁垒，成功搭建了国内第一台超快透射电子显微镜。物理所第一代超快电镜基于JEOL2000EX热发射电子枪，具有图像功能和电子衍射功能，其图像分辨率可达3.4埃，时间分辨率可达百飞秒，已经用于纳米材料晶格动力学、光诱导磁动力学和光诱导隐含量子态的研究工作。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 399px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/649f462c-c1d5-4b71-ad9e-b22657410ad1.jpg" title=" 图2.jpg" alt=" 图2.jpg" width=" 600" height=" 399" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " span style=" text-align: center text-indent: 0em color: rgb(0, 112, 192) " 图2 第一代超快电镜显微镜(UTEM-JEOL2000EX)主要研发人员合影 /span /p script src=" https://p.bokecc.com/player?vid=3E777A4B92FD492E9C33DC5901307461& siteid=D9180EE599D5BD46& autoStart=false& width=600& height=350& playerid=621F7722C6B7BD4E& playertype=1" type=" text/javascript" /script script src=" https://p.bokecc.com/player?vid=7E78391C1A0141FD9C33DC5901307461& siteid=D9180EE599D5BD46& autoStart=false& width=600& height=350& playerid=621F7722C6B7BD4E& playertype=1" type=" text/javascript" /script p style=" text-indent: 2em margin-top: 10px " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 超快电镜应用案例： /strong 视频S1显示马氏体（MT）过渡期间其域壁以皮秒的时间尺度溶解。显然，MT过渡从薄区域的边缘开始，然后传播到内部较厚的区域。激光能量密度为5 mJ cm-2。 /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 视频S2显示了皮秒域内MT域壁的振动与MT过渡耦合。结果表明，MT畴壁的对比度在最初的几个周期内急剧变化，然后振荡逐渐衰减并持续数百皮秒。激光能量密度为10 mJ cm-2。 /span /p p style=" text-indent: 2em " strong span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 2. 第二代超快透射电子显微镜 /span /strong /p p style=" text-indent: 2em " 在发展第一代超快电子显微镜时，由于缺乏技术积累，物理所和国际上其它课题组一样基于热发射透射电子显微镜来开发超快电子显微技术。然而，受限于热发射电子枪的性能，第一代超快电镜系统光发射电子的相干性较差，图像分辨率仍有待提高。因此，物理所正在致力于发展第二代超快电子显微镜技术，重点解决光发射下透射电子显微镜的空间分辨率问题。第二代超快透射电子显微镜主要基于场发射电子枪，其电子相干性明显优于热发射电子枪，并且能够兼容球差矫正技术。可以预期，第二代超快透射电子显微镜的顺利研发必将使超快透射电子显微镜的空间分辨率再上一个台阶。图3是改造完成的超快场发射透射电子显微镜，基于JEOL2100F场发射透射电镜。作为“综合极端条件实验装置”的一部分，配有先进球差矫正器及电子能量损失谱仪的第二代超快透射电子显微镜预计将怀柔科学城搭建完成，并向国内用户开放，为我国前沿科学研究工作的开展提供设备支撑。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 468px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/0b2b7e19-6928-4255-aa67-4524964d5222.jpg" title=" 图3.jpg" alt=" 图3.jpg" width=" 400" height=" 468" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: left text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 图3 超快场发射透射电子显微镜（UTEM-JEOL2100F）（a）超快激光与场发射电子枪联机，电镜改造和光发射性能测量结果。 初步数据显示相干性好，脉冲电子聚焦点可以小于2nm，达到国际领先水平，为高时空分辨超快电镜研制提供了保障。(b)脉冲电子和激光相互耦合的能谱结构。(c)在飞秒激光作用下，银纳米线的近场成像。 /span /p p style=" text-indent: 2em " strong 3.& nbsp 冷冻超快电子显微镜的发展 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 冷冻电镜在生命科学领域有着重要的应用价值。为了解决生物样品的电子辐照损伤问题，探究生命物质中的动态过程，在国家重点研发计划（蛋白质机器的时间分辨率冷冻电镜成像技术2017YFA0504703）和中国科学院（生物超快冷冻电子显微镜研制2DKYYQ20170002）的支持下，李建奇团队同中国科学院生物物理研究所、北京大学积极合作，于2017年开始研发生物冷冻超快电镜（先于罗莎琳德· 富兰克林研究所）。该项目的顺利实施将有望实现冷冻电镜技术的全新突破，为生物大分子的超快动态过程研究提供全新利器，引领蛋白质机器冷冻电镜技术的国际前沿。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 534px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/175bf4d8-86fb-40cc-9725-4caa2dbf0985.jpg" title=" 图4.jpg" alt=" 图4.jpg" width=" 400" height=" 534" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 图4 超快生物冷冻透射电子显微镜（UTEM-JEOL2100Plus） /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 379px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/cdbd09f9-4860-4eeb-8f58-fa8ab639b51f.jpg" title=" 图5.png" alt=" 图5.png" width=" 600" height=" 379" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " span style=" text-indent: 0em color: rgb(0, 112, 192) " 图5 李建奇研究员团队合影 /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-size: 18px " strong 后记 /strong /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 电镜技术作为高端电子光学仪器技术，实现将之与飞秒激光技术的耦合，其技术及工艺难度可见一斑。李建奇回顾团队发展超快电子显微技术的历程中，从最初经费不足5000元买来废旧电镜拆解摸索与超快激光的关联，到日本电子协助下筛选适合的电镜机型，到获得部分经费整体研究项目步入正轨，到设备实现雏形、获得部分成果并受邀在国际会议上分享，再到生物物理所、武汉大学、北京大学等单位的定制合作与需求等，超快电镜技术从理论到设备的成功搭建，每一步都写满不易。 /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 对于超快电镜技术十余年的坚持，李建奇坦言，首先，期望大家能够认识到，“国产化”是值得去做的，我们这一代做不好，下一代还要面临同样的需求。其次，涉及多项关键技术的电镜技术，还需要国内多方合作，齐心帮助国产电镜向前迈一步。目前，李建奇在国产化方面推进了两项工作。一项是基于扫描电镜的超快电镜，项目已启动，若搭建国产扫描电镜，整体设备国产率达95%以上，且样机已完成搭建；另一项是基于透射电镜的超快电镜，受限透射电镜技术，整体国产率还相对较低。 /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 李建奇表示，根据刚结束的美国电镜年会M& amp M 2020相关信息，预期接下来几年，国际上将有300余个实验室对超快电镜有需求。且目前日本电子（今年初，日本电子收购美国超快时间分辨电镜商IDES）、赛默飞也在积极关注这项技术的商业化。当前，国际上对超快电镜技术的描述主要划分为两代，李建奇团队已着手开展球差电镜结合的第三代超快电镜技术，超快电子显微学技术，李建奇团队已经走在世界前列。 /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-size: 18px " strong 附：李建奇简介 /strong /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 简介 /span /p p style=" text-indent: 2em " 李建奇，现任中科院物理所研究员，A06研究组组长。 /p p style=" text-indent: 2em " 1986年至1990年: 中国科学院物理研究所，凝聚态物理专业研究生，1990年获得博士学位。 /p p style=" text-indent: 2em " 1991年至1993年: 北京大学物理系博士后。 /p p style=" text-indent: 2em " 1994年至1995年: 中国科学院物理研究所, 国家超导实验室副研究员。 /p p style=" text-indent: 2em " 1995年至1996年: 德国Max-Plank 固体物理研究所,电子显微镜实验室博士后。 /p p style=" text-indent: 2em " 1996年至1998年: 日本无机材料研究所,客座研究员。 /p p style=" text-indent: 2em " 1999年至2001年: 美国Brookhaven国家实验室，电子显微镜研究室访问学者。 /p p style=" text-indent: 2em " 2002年5月至今: 中国科学院物理研究所, 研究员，课题组长。 /p p style=" text-indent: 2em " （期间：2002年－2009年，担任先进材料和结构分析研究部主任）。 /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 主要研究方向 /span /p p style=" text-indent: 2em " 1.电子显微技术发展。包括: 四维超快电子显微镜研发,原位电子显微镜技术，球差校正显微镜技术和电子全息研究。 /p p style=" text-indent: 2em " 2.功能材料的微结构及结构动力学分析。 /p p style=" text-indent: 2em " 3.新型超导体的结构及结构相变研究。 /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 过去的主要工作及获得的成果 /span /p p style=" text-indent: 2em " 1、功能材料微结构研究： /p p style=" text-indent: 2em " 在Fe-基超导体和巨磁阻Mn-氧化物和电子铁电体系统的研究中，解决了一些重要结构问题，取得了多项研究成果。主要研究成果包括，KyFe1.7As2 超导系列中的Fe空位有序态和相分离结构；铁的变价态问题及五价 Fe 的存在形式；巨磁阻Mn-氧化物系统的电子轨道有序排列；钙钛矿结构中的小极化子高Tc超导体的条纹相及电子相分离；电子铁电体LuFe2O4中的低温结构相变和电荷序；Fe2OBO3中的反相条带状畴结构和磁相变点强的磁电耦合效应；新型Fe基超导体的结构，空位序和相分离特性。 /p p style=" text-indent: 2em " 2、四维超快透射电子显微镜研制： /p p style=" text-indent: 2em " 电子显微镜在材料科学和纳米器件研究中发挥着重要作用，近期,我们在传统高分辨电子显微镜的基础上,成功研制了国内首台4D超快时间分辨透射电子显微镜. 2015年10月通过科学院专家组验收。2019年成功研发了新一代场发射阴极的时间分辨电镜。利用这种超快电子显微镜技术，可以得到物质的瞬间显微结构和原子图像（空间分辨率0.27nm），其时间分辨率达到飞秒时域（10-15秒），可以给出丰富的原子结构演变信息,超快电镜技术已经成为电子显微学的发展方向和学科前沿. 另外，我们研制的超快电镜也具传统的透射电镜的各项先进功能，可以直接进行原子结构观测和谱分析。国际专利（中国专利号：201410007910.2，国际专利号：2014/CN2014/076846）. /p p style=" text-indent: 2em " 在国际主要学术期刊上已发表论文380多篇，他人引用累计超过6800次，H-因子45。国际邀请报告80多次。近年承办了多次电子显微术和功能材料国际学术研讨会。 /p

关于INSTEMS系统原位透射电子显微分析方法是实时观测和记录位于电镜内部的样品对于不同外场如力、热、电等激励信号的动态响应过程的方法，是当前物质结构表征科学中最新颖和最具发展空间的研究领域之一。受限于透射电镜样品室狭小的空间及特殊的结构，目前商业化的透射电镜原位力学样品杆多采用探针式力场加载，无法实现双轴倾转，大大限制了研究者从原子尺度下原位研究材料的力学行为及变形机制。针对这一世界性技术难题，百实创公司专项开发的INSTEMS系列透射电镜用原位原子尺度双轴倾转力、热、电一体化综合测试系统拥有独特创新设计的MEMS芯片以及与之相匹配的微驱动系统，保证了样品在透射电镜毫米尺度空间内实现力场与热场或电场耦合加载条件下，同时具备大角度正交双轴倾转功能，进而实现在多场耦合加载下材料原子尺度显微结构及其性能演化的原位观察与记录。该系统可实现1200℃高温下力热耦合加载，最大驱动力大于100mN，驱动行程大于4μm，最小驱动步长低于0.5nm，达到国际领先水平，极大的扩展了透射电子显微镜在材料科学原位研究领域的应用。本系统与各大品牌电镜有优异的机械及电磁兼容性，稳定性高，保证电镜原有的分辨能力。整合了独特创新设计的MEMS芯片与微型驱动器的高集成Mini-lab原位样品搭载平台，保证了不同形状、性质的样品在TEM中有稳定的力、热、电加载实验环境，并能精确控制参数变量；通过更换不同Mini-lab实验台，可以灵活的实现力、热、电单场或任意两场耦合加载，并能做到互不干扰。精密的结构设计保证样品能在场加载条件下实现大角度双倾，结合皮米级超高精度控制系统，确保显示的原子像无抖动、分辨率高。功能强大，操作便捷的控制软件提供了丰富的加载模式，并实时收集与处理数据，满足用户不同条件下的实验与测试设计要求。可实现多场耦合加载：ISTEMS系列产品具有高度集成的可定制化微型实验系统。通过更换不同功能的微型实验台（Mini-lab），该系列可灵活施加力、热、电等多种外场组合。Mini-lab独特的MEMS芯片设计和新颖的集成策略解决了小区域多场耦合加载兼容性难题。可独立控制多场加载，避免相互干扰。 原子尺度分辨率：INSTEMS系列结构紧凑的微型实验台和特殊设计的β轴倾转机构完美融合了多场耦合施加和双轴倾转功能，可轻松实现原子尺度分辨的动态观察。 高精度控制与测量：超灵敏微型驱动器稳定的四电极MEMS芯片 可靠的电学连接无干扰的电路布局 强大的高精度多通道源表确保INSTEMS系列产品可同时实现高精度加热、pm级驱动控制和pA级电信号测量。 适用范围极宽、功能易于扩展：INSTEMS系列适用于多种形态尺寸的材料（适用于块体以及一维、二维纳米材料）；可实现多种类型的多场耦合施加（热-力-电耦合）；加载灵活，可对样品进行拉伸加载、压缩加载、弯曲加载，也可进行纳米压痕实验；同时可根据用户需求进行功能扩展。适用于大部分固体无磁材料的研究。 关键技术指标与参数：热场指标温度范围室温~1200℃*加热速率＞10000℃/s温度精度≥98%测温方式四电极法EDS兼容性√力场指标驱动精度＜500pm最大驱动力＞100mN最大位移4μm电场指标最大输出电压±50V电流测量范围1pA-1A*电压测量范围100nV-50V双倾指标α角倾转范围±25°β角倾转范围±25°*驱动精度＜0.1°分辨率极限稳定性＜50pm/s*空间分辨率≤0.1nm* * 列出参数取决于Mini-lab型号与电镜状态。 硬件说明：样品杆部分包含双轴倾转样品杆与配套的Mini-lab实验台，MET型号样品杆可兼容所有类型的Mini-lab实验台。软件控制：力、热、电三场都具有丰富的加载模式可供选择：力场可选择单向拉/压加载或循环加载；电场拥有7种可供选择的波形加载；热场可自由设置温控程序。 应用范围1. 高温环境下的力学行为在力场与热场条件下原位实时观察材料原子像，并能获取成分信息。可应用于加速蠕变、高温相变、元素扩散、高温塑性变形、再结晶、析出相与位错的关系等方面的研究。原位原子尺度研究高温合金相在高温下（1150℃）的形变机理原位观察超级合金在400℃与750℃下塑性变形过程2. 高温环境下的电学行为 在热场与电场条件下原位实时观察材料原子像，并获取电场数据。可应用于热电材料、半导体、相变存储、电场可靠性分析、介电材料等领域的研究。 热电耦合条件下SnSe原位原子尺度失效分析3. 力与电场的交互行为在力场与电场条件下原位实时观察材料原子像，测量和控制样品电信号。可应用于压电材料、铁电材料、锂离子电池、柔性电子器件等领域的研究。 4. 力场、热场、电场单场条件下的材料组织变化可定量的控制单力场、热场、电场施加于样品，并实时原位的观察样品原子像及成分信息。高熵合金900℃条件下观察元素扩散创新点：一、独特设计的MEMS芯片以及与之相匹配的微驱动系统，保证了样品在TEM毫米尺度空间内，在力场与热场或电场耦合加载条件下具备大角度双轴倾转功能，进而实现在多场耦合加载下材料原子尺度显微结构及其性能演化的原位观察与记录。该系统可实现1200℃高温下力热耦合加载，驱动力大于100mN，驱动行程大于4μ m，最小驱动步长低于0.5nm，达到国际领先水平。 二、MEMS芯片采用特殊结构及材料设计，加热响应迅速（＞10000℃/s），温度精度高＞98%，热稳定好（＜50pm/s），使用寿命长（＞100h），相较于传统一次性使用的MEMS芯片，很大程度上降低了实验成本。 三、采用高度集成的可定制化微型实验系统，可实现力、热、电以及力热耦合，力电耦合和热电耦合等多种外场的施加。 四、适用范围广，不仅适用于多种类，多维度材料研究，还可实现包括拉伸、压缩、弯曲、纳米压痕等多种力场加载方式。 透射电子显微镜原位-原子尺度双倾力热电集成系统

北京大学物理学院高鹏、陈基、王恩哥院士课题组等与材料科学与工程学院刘磊等课题组合作，首次实现了在原子尺度上对同位素界面的研究。该研究成果以《同位素界面上的声子转变》为题于日前在国际学术期刊《自然通讯》发表。　　据介绍，原子尺度上探测同位素界面极具挑战，目前具有原子尺度分辨能力的实验技术只有扫描探针显微镜和透射电子显微镜技术，而前者只能探测表面，后者虽然可以探测包埋的界面，但所有的电镜成像和电子衍射技术都只对质子数目敏感而对中子不敏感，因此无法识别同位素。北大团队利用透射电镜的非弹性散射技术，根据同位素声子能量的差异，首次在原子尺度上实现了对同位素界面的识别和探测。由于同位素技术广泛应用于化学、生命科学领域，因此该工作展示了电镜在这些方面巨大的应用潜力。此外，由于自然界中绝大部分物质都是同位素混合物，该工作也表明同位素之间会产生新的界面效应从而改变局域的物理性质，为理解天然材料的物性提供了新视角。　　在各种物质界面中，同位素界面非常特殊，它两侧物质的质子、电子结构完全一样，不同的只是中子数目。但由于技术原因，关于同位素界面及其可能存在的物性影响在以前很少被讨论。近年来，高鹏课题组基于扫描透射电子显微镜发展了“四维电子能量损失谱测量技术”，克服了传统谱学无法同时具备高动量分辨和纳米级空间分辨的缺点，将声子色散探测的空间分辨提升至纳米甚至亚纳米量级，为原子尺度上探测同位素界面物性提供了可能。　　本次研究中，北大团队制备了高纯度的h-10BN和h-11BN材料，并且堆垛得到人工的同位素范德华界面。他们利用h-BN材料声子能带的特点，将电子能量损失谱的空间分辨率设置在原子分辨尺度，同时又具备区分布里渊区中心的小动量声子和布里渊区边界的大动量声子能力，从而测量同位素界面处的声子行为。他们发现界面处的面外振动的光学声子模式在界面处是逐渐过渡的，存在远高于常规界面声子的离域行为，离域度高达五至十倍的晶格常数，并且小动量声子的离域性比大动量的更显著。团队分析认为，同位素声子的不同振幅导致了振动偶极子大小的差异，从而引起界面处存在一定的电荷积累。这些电荷通过电声耦合效应使得声子离域化，并且积累的电荷密度与动量转移相关，这也解释了动量依赖的声子离域行为。　　“这些发现为我们理解天然材料中的同位素效应提供了一个全新角度，并为通过同位素工程设计新功能提供了线索。这些结果也表明，具有原子级空间分辨和动量分辨能力的电镜电子能量损失谱技术，在同位素示踪、原子核量子效应探测方面的巨大潜力。”高鹏说。

项目编号：JSTCC2200214657 （SEU-ZB-220887）项目名称：东南大学微纳系统国际创新中心原子尺度变温力、电原位测试系统采购项目预算金额：400.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：384.0000000 万元（人民币）采购需求：序号标的名称数量01原子尺度变温力、电原位测试系统1套合同履行期限：合同生效（关境内产品）或开具信用证（关境外产品）后180天内设备安装调试合格。本项目( 不接受 )联合体投标。

INSTEMS系列为用户提供了7种原位TEM实验平台。其中包含三种单外场施加平台，三种双外场耦合平台和一种三外场耦合平台。三种单外场产品为INSTEMS-M（力学加载）、INSTEMS-E（电学加载）和INSTEMS-T（热场加载）；三种双外场耦合产品为INSTEMS-ME（力电耦合）、INSTEMS-TE（热电耦合）和INSTEMS-MT（力热耦合）；一种三外场耦合产品为INSTEMS-MET（力热电耦合）。产品介绍：INSTEMS-ME可以实现多种模式的电学施加和高精度的电学测量。同时，可以根据不同的倾转需求选择不同驱动方式。该产品可实现拉伸、压缩、弯曲等多种力学加载模式。借助于独创的力电耦合模式，INSTEMS-ME完美保存了TEM样品杆的双轴倾转功能，成为市场上首个可实现原子尺度力电耦合研究的实验平台。突出优势：1、力场施加条件下高温加热能力超宽加热范围( RT-1200 oC ) 超高加热精度( 最大驱动力 100 mN最大驱动位移4 μm驱动精度电流测量范围1 pA-1 A空间分辨率≤0.1 nmEDS兼容性√应用领域：压电材料铁电材料驱动/传感光电伏材料锂离子电池纳米器件柔性电子器件 … … 创新点：拥有pA等级的高精度电场测量，同时能实现7种电场加载模式应用，包括波形选择与恒压恒流模式等 透射电子显微镜原位-原子尺度双倾力电耦合系统

据美国物理学家组织网4月3日报道，近日，美国伊利诺伊大学研究人员宣布，他们用原子力显微镜探针检测了与富勒烯(石墨单原子层)接触点的热电效应，首次发现富勒烯晶体管在纳米尺度具有自行制冷效应，能降低自身温度。该研究成果发表在4月3日网络版的《自然纳米技术》杂志上。 　　计算机芯片的速度和尺寸大小受制于散热效果。电流通过设备材料由于碰撞而产生热，这种现象称为电阻热，这种热大大超过了给设备局部制冷的电效应，因此绝大部分电子设备都需要散热。使用硅芯片的计算机要用风扇或流水给晶体管制冷，这一过程消耗了大量的电能。 　　未来由富勒烯制造的计算机芯片，比硅芯片速度更快更省电。但由于富勒烯太薄，人们对它的发热散热机制一直不太了解。由伊利诺伊大学机械科学与工程教授威廉姆金和该校微尺度与纳米技术实验室电学与计算机工程教授埃里克波普共同领导的研究小组，用一种原子力显微镜探针(AFM tip)作为温度计，扫描了一个富勒烯—金属接头，首次测量了富勒烯晶体管在工作过程中的温度。他们发现，在富勒烯晶体管和金属接触点，热电制冷效应比电阻发热效应更强，晶体管的温度更低。 　　“在硅和大部分材料中，电热效应比它们的制冷效应要强得多。”金解释说，“但我们发现在富勒烯晶体管中，存在一个制冷效果比电阻热更强的区域，让它们能自行冷却。以前从未发现过富勒烯设备有这种自行制冷效应。”而这种自行制冷效应意味着，富勒烯电子设备不需要制冷，或只要很少的制冷，将带来更高的能效，进一步加大了富勒烯作为硅替代品的吸引力。 　　波谱表示，富勒烯电子设备还处在初级阶段，这一新发现将使它在热电方面的应用得到加强。下一步，他们打算用AFM温度探针来研究碳纳米管及其他材料的冷热效应。

p style=" text-align: center " img style=" width: 600px height: 275px " title=" 1.jpg" border=" 0" alt=" 1.jpg" vspace=" 0" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/a72768ab-977d-40f8-a938-7e0e2f4d8e60.jpg" width=" 600" height=" 275" / /p p 　　 strong 项目名称 /strong ：纳米尺度下材料的奇异相变行为 /p p 　　 strong 申报单位 /strong ：材料科学与工程学院 /p p 　　 strong 负责人 /strong ：王勇 /p p 　　 strong 01& nbsp /strong strong 项目简介 /strong /p p 　　纳米材料因其优异的性能和独特的结构，目前已成为材料研究领域最重要的方向之一。如何发现并解读这些新颖的物理现象，尤其是异于传统尺度下的新行为，是当前研究的重点，然而传统的研究手段无法满足上述需要。该项目发展了新的原位表征技术对纳米尺度下材料的相变行为进行了系统研究，发现了纳米尺度下二级相变过程中两相共存新现象。 /p p 　　不同于体材料的相变理论，纳米材料的相变需要考虑表面的贡献。如何可控引入表面贡献是研究和理解纳米尺度下相变机制的关键。项目自主设计楔形纳米样品成功引入梯度表面贡献，对纳米尺度下Cu2Se材料的相变行为进行了精确控温的原位研究，项目取得如下创新性成果： /p p 　　(1)首次发现二级相变材料Cu2Se构成的楔形纳米晶体中两相可以热力学稳定共存、对温度响应灵敏，并实现了相界面的原子尺度操控。 /p p 　　(2) 基于朗道理论和纳米尺度下表面效应建立了新的热力学模型，成功解释了上述异于块体材料的新现象。 /p p 　　论文Nanoscale Behavior and Manipulation of the Phase Transition in Single Crystal Cu2Se，2018年11月13日在线发表于Advanced Materials。 /p p 　　研究发现了纳米尺度下二级相变过程中两相共存的新现象，建立新的热力学模型拓展了传统相变理论，并实现了原子尺度相变的精确操控，将对相变的认识扩展到纳米尺度，为纳米器件设计提供新思路。 /p p 　 strong 　02& nbsp /strong strong 项目团队 /strong /p p style=" text-align: center " img style=" width: 450px height: 391px " title=" 2.jpg" border=" 0" alt=" 2.jpg" vspace=" 0" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/df1f66bd-cd9d-4eb9-a12b-0e4289adcc40.jpg" width=" 450" height=" 391" / /p p style=" text-align: center " span style=" text-align: center color: rgb(0, 176, 240) " 图1. 课题组照片 /span /p p 　　项目负责人王勇教授：2006年于中科院物理研究所获博士学位，随后在澳大利亚昆士兰大学进行博士后研究。2010年到2011年，在美国加州大学洛杉矶分校进行访问研究，2012年回国加入浙江大学。目前主要从事纳米环境催化材料的研究，共发表SCI论文140余篇，其中3篇Nature Nanotechnology, 1篇Nature Materials，40余篇发表在影响因子10以上的高水平期刊上。现为浙大电镜中心主任，中国电镜学会理事，材料物理专委会副主任，中国材料学会青委会理事。获2012年青年千人及2013年香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”。研究团队包括张泽院士，美国张绳百教授，硅酸盐所陈立东教授、史迅教授，澳洲孙成华教授。 /p p 　 strong 　03& nbsp /strong strong 科学解读 /strong /p p style=" text-align: center " img style=" width: 450px height: 244px " title=" 3.jpg" border=" 0" alt=" 3.jpg" vspace=" 0" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/46b35d02-6f28-449f-b95d-b81e67b8cb1a.jpg" width=" 450" height=" 244" / /p p style=" text-align: center " span style=" text-align: center color: rgb(0, 176, 240) " 图2. 纳米尺度相变示意图 /span /p p style=" text-align: center " img title=" 4.jpg" alt=" 4.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/b31c539b-2ee3-4697-bedf-2c9f2afc7e53.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 图3. 原子尺度相界面操控 /span /p p 　　相变物质一般有高温相和低温相，根据传统理论，有的物质高低温两相可以同时存在(一级相变)，比如冰水混合物，但有些物质的高低温相不能同时存在(二级相变)，比如我们要研究的Cu2Se材料，它就像一山不容二虎一样，要么全是低温相，要么全是高温相。那么有没有可能突破传统的理论，实现Cu2Se的两相共存?针对这个挑战，我们进行了深入探索，发现适于体材料的传统理论没有考虑到表面的贡献，那么如果引入表面贡献会发生什么呢?如图1所示，一般的，体材料低温相加热到相变温度点就会全部变成高温相。我们巧妙地将Cu2Se材料制备成楔形的纳米样品后，惊奇地发现在相变点附近的一定温度范围内，低温相和高温相同时存在了!这显然违背了体材料的相变行为，其原因就是纳米尺度下，比表面积增大，表面贡献不能被忽视了。由于楔形样品表面贡献随其厚度而改变，从而改变了同一材料局域的相变温度，比如site 1和site 2有不同的相变温度，实现了两相共存，并且表面贡献的越大，其相变温度越低，所以高温相变是从边缘开始并逐渐向内推进。这样，我们实现了二级相变材料的两相共存，并通过精确控温又实现了相界面的原子尺度操控，以图一所示样品为例，升高温度(比如0.2度)，相界面从site 1迁移到site 2(精确移动3个原子层)，反之亦然。基于高温相与低温相物理性质不同，可以利用它们设计新型纳米器件。该工作发展最先进的原位技术重新研究了相变这一古老而且基础的物理现象，将对相变的认识拓展到纳米尺度，为纳米器件设计提供了新的思路。 /p

为了支撑集成电路产业快速发展，集成电路高端装备制造已经上升为国家战略。破解集成电路产业“卡脖子”问题，一大关键是实现高端装备制造的自主可控。（1）自主创新面向后摩尔时代集成电路领域高水平科技自立自强的重大需求，亟需打破垄断、突破相关高端装备关键制造技术。北京航空航天大学赵巍胜教授团队创新突破超高精度复杂薄膜制备、多靶超高真空共溅射技术，超高真空下超快磁光测量技术，离子束调控设备高真空集成、离子束能量连续精确调节技术，超高真空互联和无磁传输技术，研制全球首套原子尺度界面自旋电子的原位实时表征与调控系统，应用于自旋芯片相关技术研究，并对关键技术突破进行产业化应用推广。超高真空磁控溅射设备（2）追求卓越团队从2017年开始进行自旋芯片制造和测试核心设备工程化开发：超高真空磁控溅射设备，薄膜沉积精度达到单原子层级别；多物理场高分辨率磁光克尔显微镜，关键技术指标如磁场反应特征时间达到400 ns；晶圆级磁光克尔测试仪可用于自旋芯片生产过程中的晶圆薄膜性质精确表征。系列自旋芯片材料制备和表征仪器的研制成功和推广应用，填补了相关领域的空白，促进了我国自旋芯片和集成电路产业的独立自主发展。晶圆级磁光克尔测试仪（3）产学研结合目前团队基于技术推广应用，联合致真精密仪器（青岛）有限公司和合肥致真精密设备有限公司两家仪器设备公司，完成超高真空高精度磁控溅射仪等3类设备的研制和量产，相关成果已应用于清华大学、中科院物理所、北京超弦存储器研究院、中国电科集团、电子科技大学、上海科技大学、中国计量大学、吉林大学等行业顶尖单位，实现了集成电路领域若干“卡脖子”设备的国产替代，推动了自旋芯片产业发展，取得了显著的经济效益和社会效益，累计创造经济产值7000余万元。2023年10月，“原子尺度界面自旋电子的原位实时表征与调控系统”项目荣获中国仪器仪表学会科技进步一等奖。

作者：甘露雨 1,2 陈汝颂 1,2潘弘毅 1,2吴思远 1,2禹习谦 1,2 李泓 1,2第一作者：甘露雨（1996—），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池安全性，E-mail：ganluyu@qq.com；通讯作者：禹习谦，研究员，研究方向为高比能锂电池关键材料、电池先进表征与失效分析，E-mail：xyu@iphy.ac.cn。单位： 1. 中国科学院物理研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学材料科学与光电技术学院， 北京 100049DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0047摘 要 作为新一代电化学储能体系，锂离子电池在消费电子产品、交通动力系统、电网储能等领域具有重要的应用价值。然而，在锂离子电池的商业化进程中，安全性事故时有发生，影响了锂离子电池的大规模应用。本文从电池安全性的三个研究尺度：材料、电芯、系统，综述了与之对应的重要研究方法，其中每个尺度均包括基于物理样品的实验方法和基于计算机数学模型的模拟方法。本文介绍了这些方法的基本原理，通过典型案例展示了这些方法在安全性研究中的适用场景和作用，并探讨了实验和模拟方法之间的联系，着重介绍了材料热分析、材料加热过程中结构分析、电芯加速度量热分析、电芯安全性数值模拟等方法。基于对多尺度研究策略的系统综述，认为安全性研究需要在各个尺度联合同步开展。最后，展望了下一代锂电池，如固态电池、锂金属电池等，可能面临的电池安全性问题。这些新体系的安全性研究仍处于早期，其材料和验证型电芯的安全性研究是当前阶段值得关注的重要课题。关键词 锂离子电池；安全性；实验方法；数值模拟；固态电池；锂金属电池锂离子电池的研究始于1972年Armand等提出的摇椅式电池概念，商业化始于1991年SONY公司推出的钴酸锂电池，经历超过三十年的迭代升级，已经成熟应用于消费电子产品、电动工具等小容量电池市场，并在电动汽车、储能、通信、国防、航空航天等需要大容量储能设备的领域中展现出了巨大的应用价值。然而，自锂离子电池诞生开始，安全性便一直是限制其使用场景的重要问题。早在1987年，加拿大公司Moli Energy基于金属锂负极和MoS2正极推出了第一款商业化的金属锂电池，该款电池在1989年春末发生了多起爆炸事件，直接导致了公司破产，也促使行业转向发展更稳定地使用插层化合物作为负极的锂离子电池。如图1所示，锂离子电池进入消费电子领域后，多次出现了因电池火灾隐患而开展的大规模召回计划，2016年韩国三星公司的Note7手机在全球发生多起火灾和爆炸事故，除了引起全球性的召回计划外，“锂电池安全性”再次成为广受关注的社会话题。在电动交通领域，动力电池的安全性事故伴随着新能源汽车销售量的提升逐渐增加，据统计，中国在2021年有报道的电动车火灾、燃烧事故超过200起，电动汽车安全性成为消费者和电动车企最关心的问题之一。在储能领域，韩国在2017—2021年期间发生了超过30起储能电站事故，2021年4月16日北京大红门储能电站爆炸事故除导致整个电站烧毁外还造成2名消防员牺牲、1名员工失踪。随着锂离子电池的应用场景日益扩大，其安全性在工业界和学术界均引发了广泛的讨论和研究。图1 锂离子电池近年引起的安全事故在锂电池发展的早期阶段，产业界和学术界更关注锂电池发生安全性事故的本质原因，基于长期的认识积累，锂电池发生安全事故的本质可以总结为：电池在过充、过热、撞击、短路等异常使用条件下温度异常升高，引发内部一系列化学反应，引起电池胀气、冒烟、安全阀打开，同时这些反应会大量释放热量使整个电池温度进一步升高，最终各个化学反应剧烈发生，电池温度不可控地迅速上升，引起燃烧或爆炸，导致严重的安全事故，这一过程也被称为电池的“热失控”。电池从异常升温到热失控过程中存在多个重要的化学反应，它们与温度的对应关系如图2所示。图2 锂离子电池热失控的诱发机制随着锂离子电池的广泛应用，关于锂离子电池安全性的研究逐渐深入，从早期简单的描述现象和定性预测，发展为在多个尺度、采用多种手段研究安全性机理，基于精准测量和数值化模型准确预测电池安全性表现，最终提出应用化解决方案的综合性研究策略。如图3所示，目前对于电池安全性的研究一般从理解锂离子电池电芯的热行为出发，包括利用各类滥用条件测试确定电池的安全使用极限和失效表现，利用绝热量热等手段具体分析电池的热失控行为和特征温度，以及利用热失控数值模拟方法模拟电池的热失控表现；在认识电芯热行为的基础上，需要深入材料本质，利用热分析、物质结构和化学成分分析、理论计算等方法理解电芯发生热失控在材料层面的反应机制，从而为设计制造高安全性的电池提供基础理论的指导；此外，电芯作为电池系统的基础，其热失控行为的精准测量和准确模拟也为在系统层面设计更高安全性的电池系统和管理预警方案提供了理论指导。本文从材料热稳定性、电芯热安全性和大型电池系统热安全性三个尺度介绍安全性研究策略，着重介绍几种实验和模拟方法。基于商用体系锂离子电池的研究策略和成果，进一步探讨了这些方法对于产学研各界研发下一代锂电池所具有的重要意义。图3 锂离子电池安全性研究策略1 材料热稳定性研究锂离子电池发生热失控的根本原因是电池中的材料在特定条件下不稳定，从而发生不可控的放热反应。目前商业化使用的电池材料中，与安全性关系最密切的主要是充电态(脱锂态)过渡金属氧化物正极、充电态(嵌锂态)石墨负极、碳酸酯类电解液和隔膜，其中前三者在高温下均不稳定且会发生相互作用，在短时间内释放大量的热量，而现行常用的聚合物隔膜则会在140～150 ℃熔融皱缩，导致电池中的正负极直接接触，以内短路的形式快速放热。研究人员自20世纪末开始进行了大量材料热稳定性的研究工作，发展了以热分析认识材料热行为，结合形貌、结构、元素成分和价态表征综合研究内在机理的研究方法。近年来计算材料学的发展也为从原子尺度模拟预测材料的稳定性提供了新的方法和手段。1.1 热分析方法热分析是最直接和直观认识材料热行为的方法，指在一定程序控温(和一定气氛)下，测量物质的某种物理性质与温度或时间关系的一类技术。对于电池材料来说，一般关注其质量、成分、吸放热行为随温度的变化关系。质量与温度的关系可通过热重分析获得，吸放热与温度的关系可通过差示扫描量热法获得，TG和DSC可以设计在同一台仪器中同步测试，该种方法又被称为同步热分析。TG、DSC、STA等仪器通常采用线性升温程序，通过热天平、热流传感器等记录样品的质量、吸放热变化，由于发展时间较早，测试技术和设备工程化水平较为成熟，已成为认识材料稳定性最重要的测试手段之一。基于热分析结果可以确定材料发生相变、分解或化学反应的起始温度、反应量和放热量，但在锂离子电池中，往往更关心充电态材料在电解液环境下的稳定性和反应热。良好的热稳定性是电池材料进入应用的必要条件，而产热量和产热速度则影响电池热失控的剧烈程度。用于常规热分析样品的坩埚一般为敞口氧化铝材质或开孔的铝金属材质，为了研究材料在易挥发电解液中的热表现，需要使用自制或设备厂商专门提供的密封容器。Maleki等通过STA系统研究了钴酸锂/石墨圆柱电池中各种材料的热分解行为，由于电解液采用高沸点的EC溶剂，所以仅在敞口容器中便可以测试，研究发现全电池截止电压4.15 V时，脱锂态钴酸锂在178 ℃发生分解，产生的氧气和电解液反应释放大量热量，释放的能量达到407 J/g，嵌锂态负极的SEI会优先分解，温度在125 ℃之前，之后会出现持续的放热反应，释放能量为697 J/g，而当负极发生析锂后释放能量会上升到827 J/g，这一结论有力支持了近年来析锂电池安全性下降的报道。Yamada等利用DSC确认了充电态磷酸铁锂(LiFePO4)的稳定性很好，与电解液的反应温度大于250 ℃，放热量仅为147 J/g，显著低于层状氧化物材料。Noh等利用密封容器系统研究了不同Ni含量的三元正极材料Li(NixCoyMnz)O2，比较热分析结果发现脱锂态三元材料的热稳定性与Ni含量呈现负相关性，且在x0.6之后加速下降。材料经过改性后，其稳定性需要通过热分析进行确认，研究人员基于DSC发现核壳浓度、包覆等方法均能不同程度地提高正极材料的热稳定性。需要注意的是，热分析的数据质量与实验条件、样品制备方法密切相关，目前并没有严格一致的测试规范，文献中不同单位之间的测试结果横向对比性很差，很多电池材料的热稳定性尚缺乏准确定量的结论。除了DSC、TG外，还有一类特殊的热分析方法是利用加速度量热仪研究反应的起始温度。与常规热分析采用线性升温不同，ARC使用的升温程序是加热-等待-检索模式，即步进式地在每个温度点保持恒温，如果检索程序发现样品的升温速率超过0.02 K/min，则通过同步样品的升温速率保持样品处于绝热状态，从而跟踪样品的自加热升温过程，否则开始加热至下一个温度点进行恒温、检索。不难发现，ARC获取的是样品近似热力学上的失稳温度，由于检测精度高，获得的失稳温度往往比DSC、TG等方法获得的低很多。Dahn课题组基于ARC测试了大量材料-电解液体系的反应起始温度，基本均低于DSC数据中的放热主峰。事实上，Wang等在低升温速率的DSC测试中也发现充电态材料与电解液的放热起始点远早于剧烈的放热峰。这些信息表明材料失稳到完全失控的过程并不是突变式的，整个体系动态演变的过程仍然缺乏深入的研究认识。图4 (a) DSC基本原理；(b) 脱锂态正极-电解液的DSC测试结果1.2 物相分析技术电池材料在升温过程中发生相变和化学反应，其形貌、结构、成分和元素价态都有可能发生变化，这些变化需要基于对应的方法进行表征分析，如利用扫描电子显微镜观察材料热分解前后的形貌变化，利用X射线衍射和光谱学研究材料结构和元素价态演变。由于材料热分解和热反应存在显著的动力学效应，在加热过程中原位测试可以最大程度地还原物相变化的真实过程。目前较为成熟的原位表征技术主要有两类：一类是与热分析仪器串联使用的质谱、红外光谱等，可以实时监测物质分解产生的气体类型，判断材料加热过程中化学组成的变化；另一类是原位X射线衍射技术，通过特制的样品台，可以在升温过程中实时、原位测定材料的结构变化，目前全球多数同步辐射光源和一些实验室级的X射线衍射仪上都可以实现原位变温XRD测试。Nam等利用变温XRD发现脱锂态LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2结构在350 ℃向尖晶石转变，而加入电解液后该转变温度会下降至304 ℃。Yoon等在LiNi0.8Co0.2O2中发现了类似的规律，并发现MgO包覆可以改善脱锂态正极在电解液中的相变。图5展示了变温XRD和MS的联用技术，系统研究了不同Ni含量的脱锂态NCM三元正极在升温过程中的结构和成分变化，研究发现三元正极失稳释放氧气的过程与结构在高温下转化为尖晶石相的行为直接对应，且这一过程的起始温度随镍含量的上升显著下降，NCM523的起始相变温度约为240 ℃，NCM811则小于150 ℃，从体相结构的本征变化解释了高镍正极在电池应用中热安全性差的原因。以上工作都是基于同步辐射光源实现的，由于同步辐射提供的光源质量高、扫谱速度快，更适用于研究与时间相关的动力学问题。除此之外，近年来基于X射线谱学以及拉曼光谱实现同步表征的方法均有所发展。结合通过热分析手段观察得到的材料热行为信息，并对升温过程中材料物相变化的研究，可以更深刻地理解材料演变以及电池体系热失稳的动力学过程，为材料的安全性改良提供理论指导。图5 基于原位XRD和质谱对镍钴锰酸锂结构稳定性的研究1.3 计算材料学基于材料原子结构计算预测材料的全部性质是计算材料学家的终极追求。材料的热力学稳定性可以基于密度泛函理论计算。DFT中判断材料稳定性的依据是反应前后的能量差ΔE是否小于0，如果ΔE小于0，反应能发生，则反应物不稳定，反之同理。Ceder等在1998年就计算了LiCoO2脱锂过程结构相变的过程，计算结果与实验结果吻合良好。然而目前大多数热力学计算不考虑温度效应，且热力学只能作为反应进行方向的判据，无法预测反应速率等动力学问题，考虑温度和动力学计算则需要使用成本较高的分子动力学、蒙特卡洛或者过渡态搜索方法。相对于材料本身的稳定性，计算材料学对于计算预测两种材料间的界面稳定性存在一定优势。Ceder等计算了不同正极和固态电解质之间的稳定性，为选取界面包覆的材料提供理论指导。Cheng等利用AIMD模拟Li6PS5Cl|Li界面，发现界面副反应会持续发生，材料界面之间的副反应是自发发生的，与通常认为的界面钝化效应有所差异。此外，正极材料中的相变析氧、过渡金属迁移等问题的计算模拟也都处于初期开发阶段，仍需持续探索。总的来说，目前阶段材料层级的理论模拟技术与实验技术的差距仍然较远，需要研究人员的持续努力。2 电芯热安全性研究电芯指电池单体，是将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置，通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子。电芯的热安全性特征是电池工业界最关注的内容之一，它是电池材料热稳定性的集中表现，也是制定规模化电池系统安全预警和防护策略的基础。由于电芯内部具有一定的结构，其安全性会呈现一些在纯材料研究中不被讨论的特点，使得电芯安全性具有更广泛的外延和认识角度。工业上一般通过滥用实验来研究和验证电芯产品的安全性，近年来基于扩展体积加速度量热仪(又称EV-ARC)的安全性测试方法有较快发展，此外电芯安全性模拟方法也从早期的定性分析发展到可以准确仿真预测热失控进展的水平。2.1 滥用测试国际电工委员会(IEC)、保险商实验室(UL)和日本蓄电池协会(JSBA)最初定义了消费电子产品电芯的滥用测试，模拟电芯工作可能遇到的极端条件，通常分为热滥用、电滥用和机械滥用。常见的热滥用为热箱实验，电滥用包括过充电和外部短路实验，机械滥用包括针刺、挤压、冲击和振动等。企业和行业标准一般将电池对滥用测试的响应描述为无变化、泄漏、燃烧、爆炸等，也可基于附加的传感器和检测系统记录温度、气体、电压对滥用的响应。电芯通过滥用测试的标准是不燃烧、不爆炸。锂电池应用早期研究人员大量研究了电池对各类滥用测试的响应与使用条件、材料体系、充电电量等的影响，提出了各类滥用机制引发电池热失控的机理。滥用测试中最难通过的项目是针刺测试，近年来关于针刺测试的存废引起了较大争议，但提高电芯的针刺通过率仍是锂电池安全性研究的重要课题之一。由于滥用测试针对的是商用成品电芯和贴近真实的使用条件，目前更多作为电池行业的安全测试标准而非研究手段。2.2 EV-ARC测试早期的ARC只适用于研究少量材料样品的热失控行为，Feng等发展了利用EV-ARC研究大体积电芯绝热热失控行为的方法，研究的方法原理和结论如图6所示，由于EV-ARC的加热腔更大，所以需要更精准的控温技术和更严格的校准方案。基于EV-ARC测试可以定量标定出电芯热失控的特征温度T1、T2和T3，分别对应电芯自放热起始温度、电芯热失控起始温度和电芯最高温度，为评价电芯安全性提供了更精确定量的评价指标，标准化的测试条件可以帮助建立统一可靠的电芯热失控行为数据库，分析了不同体系电芯的热失控机理。Feng等利用EV-ARC首次提出正负极之间的化学串扰会引起电芯在不发生大规模内短路的情况下热失控，说明脱锂正极释氧是现阶段影响电芯安全性的关键因素。Li等研究快充后的电芯发现快充析锂导致T1大幅下降，说明析锂同样是电芯安全监测中需要重点关注的问题。以上这些问题都是在常规的滥用测试中难以定量验证的。图6 基于EV-ARC对电芯热失控的研究相比于普通的加热滥用实验，EV-ARC实验环境的温度由程序精确控制，获得的测试结果重复性更好、数据可解读性更高，近年来已成为评价和研究电芯安全性的重要手段。然而EV-ARC模拟的绝热热失控环境与真实的电池滥用工况仍有所差异，评价电芯的实际安全性仍需大量模拟真实严苛工况的测试手段。2.3 高速成像技术为了更直观地理解热失控过程中电池内部物质、结构的演化，研究人员发展了结合红外测温以及原位针刺等辅助功能的透射X射线显微方法如图7(a)～(c)所示。由于热失控往往是在极短的时间内发生剧烈的反应，同时伴随剧烈的物相、结构变化。这一特点给TXM表征方法提出了相当高的时间分辨率的要求。实验室X光源能够发射出的X射线光电子数量有限，采集一组TXM影像数据需要较长的时间。为了观察剧烈变化的热失控过程，Finegan等在欧洲同步辐射实验室(ESRF)使用同步辐射光源将TXM的曝光时间降低至44 μs，配合针内预埋的热电偶温度传感器，实现了对针刺发生时电池内部形貌与刺入点温度的同步监控。该团队利用这种手段研究了刺针纵向与径向刺入18650商业圆柱电池时电池内部热失控行为的差异。Yokoshima等采用实验室光源进行连续实时的透射X射线照相技术，也得到了软包电池在针刺过程中结构随时间变化的一组透射投影图。该方法以4 ms的时间分辨率较为清晰地观察到了针刺入软包电池后电池内部每一层材料的形变过程，以及针刺深度与热失控程度的对应关系。图7 基于X射线成像技术对电芯热失控的研究由于透射投影图只能反映某一方向上二维的信息，如果要对真实三维空间中物质的分布做精确地定量，需要借助计算机成像技术。如图7(d)所示，Finegan等利用同步辐射光源X射线高亮度的特征，在欧洲同步辐射装置(ESRF)的线站上搭建了一套集合原位红外加热、红外测温与高速CT的装置。使用红外加热，实现在线的18650电池升温，同时进行连续的X射线CT成像。连续扫描的TXM投影图能够反映极高时间分辨率的热失控电池内部情形。基于每500张TXM重构得到1个X射线CT结果能够达到2.5帧每秒，实现了一定时间分辨率的电池内部空间分布成像。通过CT结果能够清晰地看到热失控过程中各个阶段的电池材料变化，如电极活性物质层破损、铜集流体融化再团聚等。结合TXM技术获得的投影图和高速X射线CT结果，可以清晰认识热失控过程中电池内部不同位置各个材料的反应、产气、结构破坏等失效行为。另一方面，配合诸如针刺、红外加热、挤压、拉伸等原位实验，可以帮助研究与理解电池的各类宏观失效行为。2.4 电芯热失控数值模拟电芯安全测试的维度广、涉及的测试项目多，通过实验评价电芯安全性需要大量样品和时间成本。同时，产品级电芯的研发周期长、成本高，安全性评估往往处于电芯研发周期的后端。通过数值模拟方法预测电芯安全性测试表现可以大幅度降低实验成本，且在产品研发的前期便对体系的安全性做出判断，大大提高研发效率。电芯热失控数值模型的核心是准确描述电芯热失控过程中的化学反应及吸放热量，从而基于能量守恒模拟电池温度在不同条件下的动态变化。化学反应的吸放热一般通过Arrhenius公式描述 (1)式中，图片指反应的产热量；图片为反应物的质量；图片为反应单位质量的吸放热；α为反应的归一化反应量；图片为机理函数；图片为反应的指前因子；图片为反应活化能。通过热分析实验可以测定求解以上参数，这也是热分析动力学的基本问题。电芯升温过程中内部会发生多个反应，它们对电芯升温的贡献可以看作线性叠加，通过准确描述所有反应即能较为精准地预测电芯在不同条件下的温度变化行为 (2)上述方程中，图片为电芯密度；图片为等压比热容；图片、图片、图片为电芯中沿各个方向的热导率；图片为对所有化学反应的产热速率求和；图片为电池与环境换热所引起的能量变化。预测温度变化需要求解二阶含时偏微分方程，如果认为电池中的反应和空间无关，电芯温度均匀上升且电芯体系与外界无热交换，也可简化为一阶微分方程 (3)基于该理论，Hatchard等将电池中主要的化学反应总结为SEI分解、负极-电解液反应、正极-电解液反应、电解液分解反应，计算了方形和圆柱电芯在热箱中的热行为。Spotnitz等总结了早期文献中的反应动力学参数，并基于均一电芯模型系统预测了不同材料体系的电芯在各类滥用测试中的表现。通过理论模拟，可以仅基于少量小规模实验数据对实际电芯的安全性表现进行系统预测。Feng等、Ren等基于热分析动力学和非线性优化算法重新标定了电池中关键反应的动力学参数并进行了更准确的热失控模拟，他们的模型利用DSC测试获得的参数准确预测了电池在ARC中的热失控表现，可以进一步用于预测热箱、短路等条件下的安全性。需要指出的是，不同材料体系、配方和工艺的电芯中涉及的反应机制和动力学可能存在差异，如近年来电芯内短路、正极-电解液反应和正负极化学串扰三者是否均在热失控过程中主导发生的问题引起了广泛争论，安全性的数学模拟并非空中楼阁，而是建立在具体实验和对电池内部化学反应深刻理解的基础上。由于算力的限制，早期的安全性仿真工作大多不考虑温度空间分布或只计算一维分布，而空间分布在大容量电池和真实工况中是不可忽略的，Kim等、Guo等较早提出了描述热失控温度分布的三维电池模型。近年来数值计算方法的发展和商业计算软件的成熟大幅降低了安全性模拟仿真的难度，Feng等利用商业化的有限元计算软件Comsol Multiphysics建立了大容量三元方形锂离子电芯的热失控仿真模型，可以模拟电芯在短路状态下热失控过程和温度的分布，与实测有较好地拟合结果。除了电芯的热行为，电滥用和力学失效对安全性也存在一定的影响，目前，通过构建电-热耦合模型研究电池非等温电化学性能和短路热失效表现的方法目前已较成熟[59-60]，而力学失效如碰撞、针刺等引起热失控的数值模型仍需要持续地开发。3 系统热安全性研究电池系统的安全性是目前锂电池应用面临的最直接问题，其研究重点是系统中热失控的扩展规律与抑制、预警措施。目前商品化电芯的热失控无法完全避免，在系统层面防止热失控扩展是可能的安全性解决方案。在系统层级开展实验研究的成本较高，但难以避免，在模拟仿真的辅助下可以提前预测优化系统设计，降低实验成本。3.1 热失控扩展和火灾危险性测试电池系统热扩展的实验研究成本和危险性较高，主要方法是通过加热、过充、针刺等方式诱发电芯单体的热失控，并利用接触式热电耦、红外测温等手段研究温度在系统中的分布和变化，这种方式只能获得局部多点的热失控信息。Wang团队在国内首次开发了全尺寸锂离子电池火灾危险性测试平台，用来测量大尺寸动力电池及电池组的燃烧特性，除了可以获得电池温度变化外，还可以获得电池组失控过程中的质量变化、火焰温度等信息，同时基于锥形火焰量热等技术可以测定大型电池系统宏观燃烧所释放的能量。与电芯EV-ARC等方法获得的信息不同，在真实环

p 　　在物理与材料研究领域中，众多问题的解决受限于样品质量、尺寸、探测极限等因素制约而搁置，而这些问题是可以通过电子显微学方法来实现突破。近年发展起来的球差矫正等先进电子显微学方法，为在纳米乃至原子尺度对众多物理量及其耦合关系的测量与表征提供了可能，也为实现性能调控的纳米尺度结构设计提供了依据。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/a8bbe64e-d38a-46f2-b984-3ba9190a2d19.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" width=" 450" height=" 325" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 450px height: 325px " / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 田鹤老师科研工作照 /span /p p 　　众所周知，大多数材料在温度变化时呈现热胀冷缩的性质，而有一类特殊的材料因其在温度变化时体积基本保持不变，被称为零膨胀材料。一直以来，零膨胀材料因其在高精度仪器、极端条件元器件等方面极具应用价值而备受关注。然而，目前发现的零膨胀材料仍非常稀少，设计制备宽服役温度范围、低膨胀系数的零膨胀材料是该领域的核心目标。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/84763b66-77b5-492c-be61-1be8b29b18d9.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" width=" 600" height=" 281" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 281px " / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 研究图a /span /p p 　　针对这一问题，张泽院士带领下的田鹤团队进行了系统的原位实验及微结构研究，表明铁电材料中，封闭介孔内存在着正负铁电极化表面，这些表面分别由氧离子、氧空位的聚集而被屏蔽。这一特殊的自发铁电极化屏蔽机制使得介孔微区附近的铁电性消失，从而显示出正膨胀性能。这一特性与钛酸铅本征的负膨胀性质相协同，从而使单晶介孔钛酸铅纤维表现出零膨胀的特性。成功将大量纳米尺度的封闭介孔引入到单晶钙钛矿钛酸铅中，这有效地调制了热膨胀性能，其晶胞体积在极宽的温度范围内基本保持不变。这一研究揭示了铁电体内部表面微结构的构建及其铁电极化屏蔽机制对材料热膨胀性能起到了显著调控作用，为设计、制备性能优异的新一类单相零膨胀材料提供了新思路。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/45816567-b796-4776-9c9f-f02335703bfd.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" width=" 600" height=" 455" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 455px " / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 研究图b /span /p p 　　另一方面，由于尺寸、表面和界面效应以及量子效应等因素，材料中的有序结构，如铁磁有序、铁电有序等，通常在极限尺寸下被显著抑制。由于长程有序的尺寸限制，到目前为止，在室温下实现具有垂直于表面极化的原子厚度铁电薄膜仍然是一个艰巨的挑战，严重制约了高密度非易失性存储器件的发展与小型化。针对这一问题，我们团队利用球差矫正电子显微镜，在一个单位晶胞厚的BiFeO3薄膜中直接观察到了面外的强自发极化，并且实现了高达370% 的隧道电流变效应。这一发现证实了BiFeO3薄膜中的铁电临界厚度可以通过结构设计以实现突破，这对于高密度数据存储显示出巨大的应用前景，将为铁电基器件的小型化突破开辟可能性。 /p p 　　借助先进电子显微学方法，在纳米乃至原子尺度对众多物理量及其耦合关系进行研究的能力，可以为探索材料性能与微结构关系提供依据，为设计、优化功能性材料特性，实现纳米尺度结构设计调控宏观性能提供新的途径。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201904/uepic/59832007-ec42-4212-85c3-242933457bcf.jpg" title=" 4.jpg" alt=" 4.jpg" width=" 600" height=" 275" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 275px " / /p p 　　在此工作基础上，田鹤负责的“实现性能调控的纳米尺度结构设计”成功入围浙江大学“2018年度十大学术进展评选”活动。以下为该项目具体情况： /p p 　　 strong 项目名称 /strong ：实现性能调控的纳米尺度结构设计 /p p 　　 strong 申报单位 /strong ：材料科学与工程学院 /p p 　　 strong 负责人 /strong ：田鹤 /p p 　　 strong 项目简介 /strong /p p 　　在过渡族金属氧化物这类强关联电子体系中，电子表现出的不仅是电荷，还有自旋、轨道这些复杂的属性，相互耦合诞生了如高温超导、庞磁电阻、多铁性等诸多具有重要应用前景的特性。但对电荷、轨道、自旋间的耦合关系，及其有序性与晶格的耦合、相互作用理解的依然不足，制约了对此类功能性材料性能有效调控的探索。 /p p 　　项目的主要特色是摆脱性能测试宏观、平均的限制，在纳米乃至原子尺度通过对各物理量间耦合关系的研究，直接构建微观结构对宏观性能的影响。通过纳米尺度结构设计，探索调控宏观性能的途径，为设计新型的功能性材料与器件提供了新的机遇。证实了针对性纳米尺度结构设计，对宏观性能的有效调控。成功研制了一种具有宽温度服役范围(低温、室温与高温区)的单相零膨胀系数材料，为航天、航空等领域，精密载荷关键部件的高精度、高稳定性需求提供了新的解决方案 在常温下实现了具有原子级别厚度，面外铁电极化的高密度纳米器件，打破了铁电薄膜临界厚度的认知。 /p p 　　 strong 项目团队 /strong /p p 　　张泽院士领导的田鹤团队利用自主发展的电子显微学方法，在纳米乃至原子尺度对各物理量间耦合关系开展研究，有针对性的探知耦合本质与性能的依存关系，并探索性能调控的途径。揭示了在铁电材料内部，引入纳米尺度极化表面，对单相铁电材料宏观热膨胀行为调控的物理机制。与浙江大学韩高荣、任召辉团队合作，设计并制备出一种PbTiO3单相铁电介孔零膨胀系数材料 创新提出了一种调制铁电材料热膨胀系数的新途径，为设计、制备性能优异的单相零膨胀材料提供了新思路。(Nature Communications, 9 (2018) 1638 )进而，发现了晶格调控可突破极限尺寸对铁电极化的抑制作用。与新加坡国立大学陈景生团队合作，实现了四方相BiFeO3薄膜在室温二维极限尺度下的铁电序 证实了极限尺度下(一个单胞厚)的BiFeO3薄膜，所具有的超强铁电性与自发的面外极化 揭示了铁电极化产生、稳定和转化的物理机制 奠定了其作为高密度非易失性存储器的科学基础。(Nature communications 9 (2018) 3319) /p

近日，农学院智慧农业团队在国际顶级遥感期刊《Remote Sensing of Environment》发表了题为“A disease-specific spectral index tracks Magnaporthe oryzaeinfection in paddy rice from ground to space”的研究论文，报道了他们在多尺度稻叶瘟敏感光谱指数构建，以及小农户田块稻叶瘟发生时空动态遥感监测方面的重要进展。稻瘟病（Magnaporthe oryzae）是威胁全球水稻生产的最具破坏性的真菌病害。现有的稻叶瘟发病信息主要通过田间调查来获取，这种方法不仅费时费力，而且存在代表性差等弊端，难以满足大范围稻瘟病高时效高精度监测的需求。构建适用于叶片和冠层尺度的稻叶瘟敏感光谱指数，对于遏制病害蔓延、病害定损评估、早期病害预测预警至关重要。现有研究多集中在基于机器学习或统计模型的单一尺度稻叶瘟识别和病情指数估算，缺乏对稻叶瘟高度敏感、可适用于叶片（个体）和冠层尺度（群体）的光谱指数。该研究综合分析了从单叶到冠层尺度稻叶瘟侵染引起的光谱响应（图1），基于单波段可分性和特异性光谱响应规律创建了一对稻叶瘟敏感植被指数(RIce Blast Indices, RIBIs)，进一步通过光谱指数波段优化方法确定了三波段具体位置(R665, R753和R1102)。利用叶片、近地面冠层和卫星平台获取的多年多试验点实测数据，系统评价了RIBIs在不同尺度对稻叶瘟病害严重程度的估算能力。结果表明，在叶片尺度RIBIred对感染和健康样本的识别表现出最高的分类精度（图2），而在冠层尺度RIBInir则表现出与病情指数最高的相关性（图3）。图1. 稻叶瘟侵染下不同病害严重程度的水稻光谱反射率。A. 单叶尺度不同接种后天数(Days after inoculation, DAI）；B. 近地面冠层尺度不同病情指数(Disease index, DI)。图2. RIBIs与传统光谱植被指数在温室（2018和2019）和自然条件下（2020）对健康与感病叶片分类精度的比较。RBVI：前人研究中对稻叶瘟较敏感的植被指数，SVI：类似RIBI的植被指数，TBVI：传统三波段植被指数，OD：其他类型病害指数，CW：叶绿素及水分敏感植被指数。图3. RIBInir和传统指数NDVI在近地面（A和C）及卫星尺度（B和D）与稻叶瘟病情指数DI的相关性。不同颜色散点代表在不同时期和试验点获取的样本。该研究进一步对Sentinel-2卫星影像提取的RIBInir进行时间序列分析和热点分析发现，在时间维度上，基于RIBInir的时间序列能准确追踪小农户田块中稻叶瘟的爆发与恢复态势，而传统植被指数NDVI对自然条件下稻瘟病发生过程的敏感性更差（图4）。空间维度上，RIBInir对稻叶瘟发生区域的刻画更加准确，稻叶瘟时空动态传播规律的与实地调查一致性更好（图5），卫星影像分析结果中表征病害恢复的绿色像素与呈现恢复趋势的黑色调查点吻合度更高。该研究构建了适用于叶片和冠层尺度的稻叶瘟敏感光谱指数，显著提高了对多尺度稻叶瘟发生的识别精度和对病情指数的估算能力；首次提出了基于光谱指数图的小农户田块稻叶瘟爆发热点识别思路，为基于卫星遥感的稻叶瘟传播概率等级划分和病害流行风险评估奠定基础。图4.试验区（以江苏省淮安市唐曹村为例）Sentinel-2影像植被指数的时间序列结果比较（A. RIBInir B. NDVI）。红色星号表示不同水平下的显著性差异。图5.两个典型研究区卫星影像RIBInir和NDVI的热点分析结果（左：江苏省淮安市唐曹村；右：江苏省淮安市太平村）。黑色点代表实地调查点。该研究由南京农业大学国家信息农业工程技术中心完成，农学院博士研究生田龙为论文第一作者，程涛教授为通讯作者。据了解，智慧农业团队在国家自然科学基金等项目，以及现代作物生产省部共建协同创新中心等平台的资助下，瞄准作物病虫害高时效高精度监测预警难题，持续开展了多年温室与田间试验，近两年连续在Remote Sensing of Environment上发表稻叶瘟光谱监测机理与方法方面的创新成果，对于作物病虫害天空地一体化监测预警和作物绿色智慧生产具有重要价值。

【期刊】Journal of Power Sources IF=9.13DOI：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230459 【成果简介】 锂离子电池现已广泛应用于数码产品，医疗器械，和汽车等众多领域。可是，在使用锂离子电池的过程中，锂电池的性能会随着内部结构的老化而降低。这一问题会导致使用锂离子电池的成本增高。为了更加深入地了解锂离子电池在使用过程中老化的细节。奥地利林茨大学Gramse教授课题组近日利用扫描电镜专用原位AFM探测系统AFSEM对锂离子电池老化过程中电表面的形貌和导电特性的变化进行了纳米尺度的原位研究，其成果发表在Journal of Power Sources上。 AFSEM™ —使AFM和SEM合二为一：▪ 实现AFM和SEM的功能性互补▪ 让SEM实现样品的真实三维形貌成像▪ 在扫描电镜中进行AFM原位分析▪ 无需激光和探测器，适用于任何样品表面▪ 适配SEM不妨碍正常的操作 【图文导读】图1 用不同尺度和方法来研究锂离子电池的电化学表现。A）用电化学阻抗谱（EIS），电池循环和容量测试的方法研究锂离子电池的老化问题。 B)用电化学相关有限元的方法来研究电池的EIS表现。C）用AFM，AFSEM和SEM等表征手段研究电池循环后的纳米尺度上的彼变化。图2 电化学循环次数，充电状态和循环温度对锂离子电池阻抗谱的影响。A）电池不同循环次数后阻抗谱的变化。B）充电600次后，24℃条件下的电池阻抗谱。C）不同温度下，循环100次后电池阻抗谱的研究。 图3 锂离子电池的有限元模型。A）锂离子电池的一维有限元模型。B)不同薄膜阻抗下模拟的电化学阻抗值。C)电化学阻抗模拟值随着双层电容的变化。D)不同电材料颗粒大小对电化学阻抗模拟值的影响。图4 电池经过循环后，SEM和AFSEM对电池内部结构的原位微纳表征。A）经过不同次数的循环后，石墨阳表面的电子扫描成像。B）AFSEM对不同循环次数的阳表面形貌进行原位表征。C) AFSEM对不同循环次数的阴表面形貌进行原位表征。图5 利用AFSEM多功能探针对不同老化阶段的阳材料进行表征。A）为AFSEM原子力显微镜扫描获得的形貌图。B）扫描微波显微镜对样品表征结果。C）AFSEM提供的样品纳米尺度的直流电导率测量。 【文章总结】 奥地利林茨大学Gramse教授课题组利用AFSEM对老化锂离子电池电表面进行了纳米尺度的原位分析。这是因为AFSEM可以在电子显微镜所需的真空环境下运行。在获得电子显微成像的基础上，还可以获得样品表面形貌的信息。除此之外，AFSEM的多功能探针，也可以对样品指定区域的磁性，电学，力学，热学性能进行微纳尺度的表征。

相关报道显示，超快光谱测试技术在Nature、Science及子刊上频频出现。那什么是超快光谱（Ultrafast Spectroscopy）？超快光谱有多快？能解决哪些关键问题……近年来，发展迅速的超快光谱成为了研究皮秒和飞秒时间尺度内的分子结构与超快动力学行为的强有力手段，它类似超快摄像机一样，一帧一帧的展现让人们能通过“慢动作”观察到处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态。可以说，超快光谱的出现，给相关科学领域带来一场新的革命，在物理、化学、生物、材料、医疗、能源及环境等众多领域得到越来越广泛的应用。其中，在物理领域，超快光谱还可以应用于半导体磁性材料、超导体、绝缘体、复杂材料、量子结构、纳米和表面体系、太阳能电池等研究领域。2023年6月13日，由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国生物物理学会太赫兹生物物理分会等协办的第十二届光谱网络会议（iCS2023）将拉开帷幕。会议期间，多位超快光谱相关专家将在云端开讲，超快光谱相关仪器技术及前沿应用不容错过。立即报名》》》 部分精彩报告提前看：大连化物所 金盛烨研究员《时间分辨光谱技术及其在光电材料动力学研究中的应用》（6月13日上午开讲 点击报名）金盛烨，研究员，博士生导师，2001年于大连理工大学获得学士学位，2004年于中国科学院大连化学物理研究所获硕士学位。2010年7月于美国EMORY大学获得博士学位。2010−2013年在美国阿贡国家实验室和美国西北大学从事博士后研究 。2013年12月加入中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室，任超快时间分辨光谱和动力学研究组组长。2017年获得国家杰出青年基金支持。主要研究方向为利用超快(飞秒10-15秒) 时间分辨光谱技术（荧光光谱和pump-probe瞬态吸收光谱） 和时间分辨成像法研究光电转化材料中的界面电荷分离、迁移、能量转移动力学过程。【摘要】 光电转换材料中的载流子动力学过程是决定材料光电转换（太阳能电池、光催化等）效率的核心因素之一。近些年来，随着光电材料领域的飞速发展，简单、宏观的动力学表征已不能满足材料的研发需求。发展多维度（时间和空间结合）、多尺度（从宏观到微观）的动力学研究新方法是当前动力学研究领域的国际前沿。本次报告中，针对光电转换中的重要科学问题，围绕钙钛矿类国际前沿材料，报告人将着重介绍几种前沿的时间分辨光谱技术和相关超载流子动力学、光电流等成像方法，及其在载流子动力学机理解析和调控等方面的应用。北京邮电大学 夏安东教授《复杂分子体系的溶剂化相关的激发态过程的探测和调控》（6月14日上午开讲 点击报名）夏安东，教授，中国科学院“百人计划”和国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。1987年毕业于南京师范大学物理系，1990年获得中国科学院长春物理所固体物理专业硕士学位，1993年获得中科院感光化学所有机化学专业博士学位。1993 - 2006年，先后在中国科技大学国家同步辐射实验室、日本理化所（RIKEN）、韩国国家标准科学研究院、耶鲁大学神经生物学系和日本东北大学从事博士后或访问研究。2001– 2020年为中国科学院化学研究所研究员。2020年9月正式成为北京邮电大学理学院教授。课题组主要围绕“凝聚相复杂材料体系非平衡态动力学前沿科学与应用”的主题，瞄准该领域国际重要前沿课题，在原子分子的水平上，研究凝聚相复杂材料体系的激发态演化及其动力学过程，实现激发态过程的调控。通过自行研制和发展各种稳态和瞬态时间分辨光谱的方法，研究凝聚相体系中有机共扼分子、生物大分子、纳米团簇和功能材料、离子液体、半导体量子点和二维材料等复杂体系的溶剂化、能量转移和电荷转移、以及材料结构变化相关的激发态动力学过程。研究成果在JACS、JPCL、JPC A/B/C和PCCP等专业期刊上发表激发态溶剂化相关论文100多篇。【摘要】 主要介绍课题组长期以来针对复杂分子激发态溶剂化动力学过程复杂且无法直接探测的相关技术和科学问题，发展的多种表征激发态溶剂化动力学的超快光谱技术的原理和方法。重点介绍采用激发态受激调控（基于受激亏蚀原理）的策略实现了激发态关键中间态的溶剂化过程和关键中间“暗态”的直接探测和表征。实现了激发态溶剂化演化动力学过程中的速率常数和溶剂化相关的结构变化动力学的同时探测。南京大学 张春峰教授《快速光谱分析助力高精度超快光谱检测》（6月14日上午开讲 点击报名）张春峰，南京大学物理学院教授。2002年和2007年分别获复旦大学学士和博士学位。2010年加入南京大学历任副教授和教授。曾在美国宾州州立大学，科罗拉多大学JILA研究所等从事博士后和访问研究。主要从事超快光谱相关技术开发，探究光电转换激发态动力学。曾获国家杰出青年基金和优秀青年基金资助。【摘要】 瞬态吸收、二维光谱等超快光谱方法检测光激发引起的脉冲信号微弱改变。提高光谱分析的速率有助于利用高重频激光，在相同时间内大幅提升检测灵敏度。报告将介绍课题组自行开发的100kHz响应的光谱探测器，并针对超快光谱分析优化，实现高精度的超快光谱检测方法。国家纳米科学中心--刘新风研究员《微区超快光谱与应用》（6月14日上午开讲 点击报名）刘新风，中科院“百人计划”研究员，中科院纳米标准与检测重点实验室副主任。2011年于国家纳米科学中心获博士学位，2011-2105年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究。2015年通过中科院海外人才计划加入国家纳米科学中心，2021年获中组部人才计划支持。研究方向为微纳尺度光与物质相互作用物化性质性研究。近年来在Science, Nat. Mater., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett.等期刊上发表研究论文200余篇，总引用17000余次。合著英文专著5章。担任Nat. Nanotech., Sci. Adv., Nano Lett., Adv. Mater.等国际学术期刊审稿人。任Journal of Physics: Photonics编委会委员，Frontiers of Physics., InfoMat, Materials Today Physics, Materials Today Sustainability青年编委。【摘要】 超快光谱是研究材料中载流子性质的重要技术手段，广泛应用于物理、化学、材料、信息等研究领域。近年来，我们致力于发展具有空间、时间和动量分辨能力的光谱测量系统，研究半导体体系中的载流子性质，为深入理解材料物性以及相关应用奠定重要基础。本次报告主要介绍利用微区超快光谱技术在半导体载流子迁移率，电-声耦合诱导自陷态发光，以及纳米边缘态诱导的光谱特性及载流子动力学特征等方面的进展情况。 北京大学 郑俊荣教授《待定》（6月14日上午开讲 点击报名）郑俊荣教授，1997年本科毕业于北京大学化学学院，2000年在北京大学化学学院高分子系获得硕士学位后赴美留学，先后于美国伦斯勒理工学院化学系、斯坦福大学化学系获得硕士、博士学位，随后在斯坦福大学化学系从事博士后研究。2008年10月赴加州大学伯克利分校物理系做访问学者，2009年8月至2015年，在美国莱斯大学化学系担任助理教授一职。自2009 年起加入美国莱斯大学建立自己的实验室后，主要从事飞秒激光光谱的研究，建立起了一支在激光技术和超快激光光谱研发、理论研究及应用方面具有国际领先水平的科研团队并组建了美国Uptek Solutions公司。2015年起回北大化学院任研究员。曾先后获得分析化学与光谱协会的汤马斯赫斯费尔德奖、诺曼赫克曼韦尔奇杰出青年奖、帕卡德科学与工程基金奖、美国空军研究院杰出青年奖、斯隆研究奖等。主持（PI）在研基金项目5项，已结题项目3项，共同主持（co-PI）基金项目1项。由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国生物物理学会太赫兹生物物理分会等协办由仪器第十二届光谱网络会议（iCS2023）将于6月13-16日举办。iCS2023将聚焦最新、最前沿的光谱技术及应用，特别设立了超快/瞬态光谱最新技术及应用进展、高光谱技术及应用新进展、光谱快检及在线应用技术进展等专场。同时会议也会选择光谱技术在生命科学、环境、材料等领域的应用进展进行深入探讨，为国内外光谱科研工作者及专业技术人士提供一个全新、高效的沟通交流平台，以促进业内交流，提高光谱研究及应用水平。点击立即报名》》》报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ics2023/

2016年12月11日，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项项目“纳米尺度多场物性与输运性质测量及调控”启动实施工作会议在深圳召开。南京大学祝世宁院士、中国科学技术大学杜江峰院士、上海纳米技术及应用国家工程研究中心何丹农教授等10余位项目咨询专家、科技部高技术研究发展中心代表、以及项目和课题承担单位的负责人和研究骨干参加了会议。　　该项目由中国科学院先进技术研究院联合华南师范大学、南京大学和清华大学共同承担。项目旨在揭示光电、热电、磁电材料和器件的微观结构、局域响应和宏观性能的关联，分析铁电极化对光电转换的调控作用，界面和缺陷对热电输运的影响，以及微纳结构和磁电耦合的相互作用，发展基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，在纳米尺度综合定量测量调控材料电学、光学、磁学、力学和热学多场物理及输运性质，并以此解决先进功能材料与器件的一系列关键科学问题，进而形成一系列原创、具有自主知识产权的新思想(如宏观微观协同调控测试)、新技术(如多功能扫描探针激励和多场原子力显微样品加载)、新方法(如跨尺度实验测试、数据采集、和计算模拟)和新发现(如光电、热电、磁电多场物性和耦合新机制)，推动纳米技术、高速低能耗信息处理与存储、微电子器件、高效清洁能源以及精密仪器等产业和领域的发展。　　科技部高技术研究发展中心代表对项目的执行和管理提出要求，强调了纳米科技重点专项项目“重立项、重过程、重验收”的基本原则，要求项目承担单位和研究人员增强责任感和使命感，强化项目组织实施，加强课题间的交流，立足学科领域发展前沿，力争在重大科学问题与关键技术问题上取得原创性突破。　　项目负责人李江宇教授介绍了项目的整体情况，各课题负责人就课题的具体研究目标、实施方案、研究难点以及如何突破、下一步工作计划等进行了详细介绍。项目咨询专家就项目的研究目标、研究内容和技术方案等给予指导，对项目的执行和管理提出了指导性意见和建议，希望通过研发具有自主知识产权的多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，为先进功能材料与器件方面的研究提供强有力的工具。

3月20日,国家重大科学仪器设备开发专项&ldquo 跨尺度微纳米测量仪的开发和应用&rdquo 项目首次工作会议在市计测院举行。国家质检总局科技司副处长谢正文主持会议，清华大学院士金国藩、同济大学院士李同保、上海理工大学院士庄松林，国家质检总局科技司副司长王越薇、市质监局总工程师陆敏、市科委处长过浩敏等专家和领导出席会议。 　　会上，项目总体组、技术专家组、项目监理组、用户委员会和项目管理办公室宣布成立。会议报告了项目及任务实施方案，介绍了项目管理办法，并由专家现场进行了技术点评和项目管理点评。 　　王越薇对项目推进提出了具体工作要求。她要求项目所有单位本着为国家产业发展负责的精神，对项目予以高度重视。牵头单位要围绕总体目标，做细做实项目推进计划，项目各参与单位必须按时保质完成分目标，确保项目顺利推进。她要求加强项目的过程管理，制定并落实各项管理制度，对项目推进中出现的问题，要协调解决，必要时召开专题会议，并且做好包括基础数据、过程记录在内的档案管理。她还要求加强项目的财务管理，牵头单位和各参与单位都要重视财务管理，尤其要提高国家级重大项目的财务管理水平，确保项目经费的使用符合财务管理要求。最后，王越薇长还代表国家质检总局科技司表示，将尽全力做好项目实施单位与国家科技部的桥梁工作。 　　会上，陆敏要求市计测院勇于创新，集中力量确保项目顺利实施，并通过科研项目促进科研管理水平和能力的提高。 　　过浩敏感谢国家质检总局对项目的支持，肯定了重大专项对上海市创建具有国际影响力的科创中心的重要意义，并表示市科委将尽全力做好项目实施的地方配套服务工作。 　　&ldquo 跨尺度微纳米测量仪的开发与应用&rdquo 项目以我国近年来多项创新技术及市计测院科研成果为基础，突破我国在微纳米检测技术领域检测方法集成开发的诸多技术瓶颈，旨在攻克宏微联动多轴驱动和多测头集成、基于原子沉积光栅的纳米量值溯源等关键技术，研制用于计量、工业生产、产品检测中微形貌和几何尺寸测量的微纳米测量仪，并构建跨尺度、高精度微纳米测量与研发平台，为我国国防、航空航天、半导体制造业、微机电产业、大气污染物防治等领域提供有效的纳米计量技术支持和保障，提升我国高新技术产业中微纳米尺寸定量化测量的技术水平。 　　在国家质检总局的组织和指导下，项目经过近两年半时间的筹备和酝酿，于2014年10月获得国家科技部批准立项。项目牵头单位为上海计测工程设备监理有限公司，第一技术支撑单位为市计测院，16家参加单位涉及清华大学、上海交通大学、复旦大学、同济大学等国内顶级高校，以及中国工程物理研究院、国家纳米中心、中国科学院等国内顶尖研究机构。 　　项目研究过程中，将以产业需求为牵引，以实际应用为导向，注重基于国际先进技术基础上的集成创新和工程化、产业化开发，着力挖掘科研成果转化的潜力，提高我国微纳米测量科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平，并促进产、学、研、用的结合。项目完成后，将形成具有完全自主知识产权的仪器产品、附件、服务、标准等成果，能够填补国内空白，挑战国外仪器在相关领域的权威地位，促进纳米科技与经济紧密结合、科技创新与产业发展紧密融合，更树立国家在纳米制造、微电子、新型材料、超精密加工制造等领域的国际权威地位与话语权。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员刘洪阳、博士研究生孟凡池等，与北京大学教授马丁、辽宁大学教授夏立新、香港科技大学教授王宁、中科院上海应用物理研究所研究员姜政、中科院山西煤炭化学研究所研究员温晓东等合作，精准调控亚纳米尺度Cu金属团簇结构，构建出亚纳米尺度下原子级分散且全暴露Cu3团簇纳米酶，其表现出优异的模拟氧化酶活性与抗菌性能。相关研究成果在线发表在《应用催化B：环境》（Applied Catalysis B: Environmental）上。 　　随着现代社会发展，越来越多的病菌随之出现，威胁人类健康，寻找新型抗菌材料刻不容缓。纳米酶是一类具有模拟酶催化活性的纳米材料，因强大多样的酶催化活性而备受关注。研究发现一些纳米酶具有模拟氧化酶、过氧化物酶等催化活性，其产生的活性氧物质可以有效地灭活细菌。目前，构建具有优异模拟酶催化活性的新型纳米酶研究存在挑战。与单原子催化剂相比，亚纳米尺度原子级分散且完全暴露的金属团簇催化剂不仅能提供相邻的金属原子作为催化位点，而且能保持充分的原子利用效率，提供了多种结构可能性和催化可行性。将这种原子级分散且完全暴露的金属团簇催化剂应用于抗菌领域，可有效提升抗菌性能，保护人类健康。 　　刘洪阳团队致力于亚纳米尺度金属催化材料的设计与应用研究。在前期研究工作基础上，科研团队在纳米金刚石-石墨烯杂化载体上构造了亚纳米尺度完全暴露Cu金属团簇，经球差电镜（图1）分析表明，原子级分散且完全暴露的Cu3团簇（Cu3/ND@G）锚定在富缺陷石墨烯表面。密度泛函理论（DFT）计算结果表明（图2），亚纳米尺度原子级分散且完全暴露的Cu3团簇作为活性中心有利于O2的吸附，从而促进催化O-O键断裂形成活性氧物质(OH)，显著提高了Cu3/ND@G纳米酶的模拟氧化酶样活性。与Cu单原子纳米酶（Cu1/ND@G）和Cu纳米颗粒纳米酶（Cu-NPs/ND@G）相比，亚纳米尺度完全暴露且原子级分散的Cu3金属团簇纳米酶表现出优异的模拟氧化酶活性（Kcat=1.474×10-1s-1）。这种完全暴露且原子级分散的Cu3金属团簇纳米酶在NaAc缓冲液（pH4.5）中具有≥99%的抗菌率（图3），其结构和优异的抗菌性能（图4）显示了在生物医学、微生物防腐等领域的潜在应用价值。 　　研究工作得到国家重点研发计划纳米专项青年科学家项目、国家自然科学基金委员会企业创新发展联合基金重点项目/碳基能源重大研究计划重点项目/国际合作中港联合基金项目/面上项目、辽宁省“兴英才计划”、沈阳材料科学国家研究中心青年人才项目与企业合作项目的资助，并获得上海同步辐射光源的支持。 图1.A、B：Cu纳米粒子（Cu-NPs/ND@G）的球差电镜表征；C、D：亚纳米尺度Cu3金属团簇（Cu3/ND@G）的球差电镜表征　　图2.Cu3/ND@G各种中间体沿模拟氧化酶反应路径的优化吸附构型与Cu3/ND@G、Cu-NPs/ND@G模拟氧化酶机理的自由能图，灰色、棕色、红色和白色的球分别代表C、Cu、O和H原子　　图3.生长抑制试验：将不同的材料和大肠杆菌菌液孵育后涂在LB琼脂平板上，用A、空白，B、ND@G，C、Cu-NPs/ND@G，D、Cu3/ND@G处理。培养条件：37℃、24小时图4.亚纳米尺度下Cu3金属团簇活性中心结构与抗菌性能示意图

2013西安纳米尺度材料性能国际研讨会于6月11日至14日在西安交通大学举行，会议主旨在于促进国际间关于纳米材料性能原位表征的交流和合作，许多来自世界各地的著名科学家和原位表征仪器厂商出席了会议，日立高新和天美公司作为日立电镜提供商及西安交大电镜实验室合作伙伴也参加了此次会议。 纳米尺度材料的原位表征在于将材料变化的微观动力学过程通过透射电镜呈现在研究者面前，为在原子尺度上解释材料的结构变化以及性能表现提供直接实验依据，目前已成为材料学领域的重要研究方法。 在会议中日立高新和天美公司还展出了日立环境透射电镜H-9500，H-9500作为日立高新环境透射电镜的典型代表，具有低真空下成像功能，300KV加速电压，其分辨率更高，并且可采用预抽室进气或物镜极穴进气方式，另外可匹配日立高新专为H-9500匹配的各种原位样品杆，是一款目前市场上较为实用的环境TEM，可原位进行样品表面动态过程的观察。 日立H-9500环境透射电镜 会议中，来自世界各地的著名科学家分别进行了原位环境TEM的专题报告，指出了目前所遇到的机遇和挑战。作为日立高新TEM产品经理的章效峰博士做了题为&ldquo 原位环境透射电镜的前世今生与未来&rdquo 的报告，引起了与会者的广泛兴趣，章博士在报告中详细讲解了TEM的发展历程以及原位环境TEM的发展历程，旁征博引，引用大量应用举例详细叙述了环境TEM给目前科研工作所带来的机遇和挑战。 章效峰博士报告 6月12日下午，应用户的邀请，章效峰博士专门为用户进行了日立环境透射电镜H-9500讲解，在讲解中章博士从用户的应用出发，详细介绍了H-9500的整体概况和优势，并对H-9500可对用户实验提供哪些帮助进行了展开讲解，用户对H-9500也表示了强烈的兴趣。 章效峰博士给用户讲解H-9500 通过此次会议，与会者和用户对日立环境透射电镜H-9500有了更深一步了解，对天美公司和日立高新用户至上的服务态度也大加称赞。 公司介绍： 　　天美(中国)科学仪器有限公司(&ldquo 天美(中国)&rdquo )是天美(控股)有限公司(&ldquo 天美(控股)&rdquo )的全资子公司，从事表面科学、分析仪器、生命科学设备及实验室仪器的设计、开发和制造及分销 为科研、教育、检测及生产提供完整可靠的解决方案。天美(中国)在北京、上海、等全国15个城市均设立办事处，为各地的客户提供便捷优质的服务。 　　天美(控股)是一家从事设计、研发、生产和分销的科学仪器综合解决方案的供应商。 继2004年于新加坡SGX主板上市后，2011年12月21日天美(控股)又在香港联交所主板上市(香港股票代码1298)，成为中国分析仪器行业第一家在国际主要市场主板上市的公司。近年来天美(控股)积极拓展国际市场，先后在新加坡、印度、澳门、印尼、泰国、越南、美国、英国、法国、德国、瑞士等多个国家设立分支机构。公司亦先后收购了法国Froilabo公司、瑞士Precisa公司、美国IXRF公司和英国Edinburgh等多家海外知名生产企业，加强了公司产品的多样化。 　　更多详情欢迎访问天美(中国)官方网站：http://www.techcomp.cn

NASA碳监测系统BlueFlux行动——Picarro助力红树林蓝碳通量的多尺度观测江苏海兰达尔 2023-06-09 12:24 发表于江苏原文链接：https://doi.org/10.1101/2022.09.27.50975301蓝碳和红树林蓝碳是气候缓解战略的关键组成部分，该战略旨在通过沿海和开放海洋碳封存以降低大气二氧化碳浓度。在全球范围内，蓝碳有助于《巴黎协定》目标的达成，将全球平均气温上升幅度控制在远低于2℃以内，并实现温室气体净零排放。从蓝碳的角度来看，红树林生态系统非常有意义，因为它们是地球上最具生产力的生态系统之一，净初级生产力（NPP）在1000~2000gCm-2yr-1。虽然它们只占地球陆地面积的一小部分，但为全球NPP贡献了约210TgCyr-1。这些碳中的大部分储存在生物中或封存在土壤沉积物中，根据最近的激光雷达和雷达测量估计，红树林的总碳储量约为5.03PgC。这些碳储量只集中在几个关键的生物地理区域，例如，有10个国家占总碳储量的70%以上，这就意味着在国家范围内，红树林碳管理可以在国家层面制定的缓解气候变化策略上发挥重要作用。02BlueFlux行动2020年，美国航空航天局碳监测系统（NASA CMS）为建立BlueFlux行动提供了支持，目的是开发原型CO2和CH4产品以了解红树林的修复和保护情况。BlueFlux野外观测行动旨在提供横跨佛罗里达南部和加勒比地区的CO2和CH4通量的综合测量，重点是红树林系统，它们的季节性动态，以及邻近的生态系统，比如广阔的锯草沼泽以及其中的树木“岛屿”。这些通量测量覆盖了从“健康”的红树林到近期受到干扰和濒死的红树林“鬼森林”，来帮助了解在损失和恢复过程中碳通量的任何方向性变化。BlueFlux将有助于量化蓝碳如何减缓气候变化，并帮助减少红树林碳循环时空成分的不确定性。BlueFlux行动的目标示意图现场地面和飞机测量的目标区域在美国境内，在佛罗里达南部的核心地区，对碳储量和通量进行测量，以了解物种、干扰、水文和气候梯度如何解释通量变化。该行动计划在2022~2024年间进行6次现场观测，测量手段包括：1）对生态系统结构、物种以及腔室通量的地面测量，2）高塔通量测量，3）飞机测量，4）卫星遥感。墨西哥湾研究区域03地面测量：土壤和植被通量的腔室测量2022年3月，BlueFlux的第一次现场行动在大沼泽地国家公园进行，分别对两个高度退化和两个完整/再生的森林场地的树木，根系和土壤CO2和CH4通量进行了测量。根据植物的形态以及土壤沉积物成分的不同使用了不同的气室，CO2和CH4浓度的测量使用Picarro G4301 GasScouter 移动气体分析仪，测量频率为1Hz。静态气室法测量生态系统成分通量的示意图以及相应气室设计的照片04地面测量：水化学为了捕捉佛罗里达大沼泽地红树林水域的水-空气温室气体交换及其变化，于2022年3月进行了一项为期3天的空间调查，方法为驾驶一艘游艇从库特湾出发，沿乔河到鲨鱼河再到塔彭湾，然后返回，同时测量pH值，水温，盐度，CO2、CH4和N2O浓度以及CO2和CH4稳定同位素。地表水样从约0.5米深处连续泵送到由“淋浴头”平衡器组成的船载装置，该平衡器通过闭合空气回路连接到两台气体分析仪，Picarro G2201-i和Picarro G2308。使用校准的多参数探测器每分钟测量一次地表水电导率（EC）、溶解氧（DO）、温度、pH和有色可溶性有机物（CDOM）。同时定期收集过滤的无菌离散样品，并在耶鲁大学实验室内用于分光光度计pH、溶解无机碳（DIC）和总碱度（Talk）的测量。05机载涡流协方差通量测量：CARAFE机载涡流协方差（AEC）是一种公认的用于量化痕量气体和能量的地表-大气交换的技术。当与小波变换相结合时，AEC可以表征模型相关尺度（1-100km）下通量的空间梯度，是对地面观测数据很好的一种补充。Blueflux AEC观测采用了动态航空公司驾驶的配备气象和微量气体传感器的Beechcraft King Air A90飞机，并进行了CArbon大气通量实验（CARAFE）。由Aventech公司的AIMMS-20测量系统提供10 Hz的3D风速、空气温度、飞机位置和飞机方位（俯仰/翻转/偏航）观测。该系统包括一个用于气象测量的探测器（安装在左翼下方），该探测器与高分辨率差分GPS和惯性导航系统相结合。环境空气通过安装在右翼下方的进气口进行采样，并通过（机翼中的）聚四氟乙烯管传输到机舱中的两台气体分析仪。其中Picarro G2401-m机载专用气体浓度分析仪提供0.5Hz的CO2、CH4、H2O和CO测量值，而Picarro G2311-f双模式高精度气体分析仪提供10Hz的CO2和CH4测量值。G2401-m包含用于机载操作的专用压力控制系统，因此可对气体摩尔分数进行精准测量，而G2311-f可提供AEC所需的快速时间响应。CO2和CH4的干空气摩尔分数在实验室中使用NOAA WMO的压缩标准气体进行两点校准。下图为2022年4月进行的航测飞行轨迹，这些飞行测量重点关注佛罗里达南部和东部的沿海红树林植被，同时也包括一些内陆森林和湿地。每次飞行时间在2.5~4.5小时，典型的海拔高度为地平面以上100m，偶尔会进入到混合层（200-800m）,以确定垂直通量散度和修正。在100米的高度，预计通量足迹大约为5000米宽，对于5~10m s-1的典型表面风速，50%的通量在1000米内，90%在5000米内。CO2的通量范围在0~-40μmol m-2 s-1，CH4的通量范围在0~200μmol m-2 s-1。总的来说，在4月的野外航测中，锯草的甲烷通量似乎更高，红树林的二氧化碳吸收量更大，接下来的飞行测量将继续探索季节和年际变化。BlueFlux AEC航测的飞行路线06预期结果目前“蓝碳”评估的不足之一是，人们考虑了碳存储量，但往往忽略了非二氧化碳温室气体的排放，这可能会极大地影响（积极或消极）这些生态系统的总体净辐射强迫效应。红树林是潮间带生态系统，虽然这些生态系统是净自养的，但小海湾和沉积物通常是大气中CO2和CH4的来源，也可以作为N2O的源或汇。沿着潮汐高度梯度（从小海湾到森林盆地），红树林覆盖率、物种多样性和沉积物结构会发生显著变化，导致温室气体通量的空间变异性很大。红树林温室气体通量的站点间变化会进一步受到各种其他因素的驱动，包括区域气候、水文、地貌、物理化学、生物，生物地球化学和人为因素等。BlueFlux行动旨在收集红树林结构和温室气体通量多尺度测量的详细信息，利用激光雷达或雷达等手段，掌握森林结构和地形信息，捕捉土壤、水文和扰动梯度。网格化碳通量产品将为评估过去二十年温室气体通量的趋势及其空间模式提供基础，以应对不断变化的气候以及极端气候的出现。编辑人：陆文涛审核人：史恒霖

日前，由两院院士投票评选的2009年度中国十大科技进展揭晓，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)(以下简称“微尺度国家实验室”)杜江峰教授研究小组的“量子计算研究获重大突破”荣列其中。这是该实验室自2003年获批筹建以来连续7年有成果入选中国十大科技进展。自2003年以来，该实验室还有1项成果入选年度世界十大科技进展、3项成果入选国际物理学年度重大进展、5项成果入选中国高校十大科技进展、4项成果入选中国基础研究十大新闻……微尺度国家实验室已经成为一座越烧越旺的“创新熔炉”。 　　“对这些热心创造的科学家们来说，‘管理’二字是不太适合的” 　　我们没有刻意的管理创新 　　向管理创新要成果要人才，是近年来许多管理者常说的一句话。微尺度国家实验室成果迭出， 是不是也与此相关呢? 　　“我们没有刻意的管理创新。”中国科大校长、微尺度国家实验室常务副主任侯建国院士的一番话颇出乎笔者的意料。据了解，微尺度国家实验室的投入并不算很多，研究人员基本上来自校内相关院系和每年的正常招聘。科研团队的负责人大多是科大土生土长的博士，没有显赫的学术经历。对他们，微尺度国家实验室没有制定严格的考核指标，只是要求进行3至5年的阶段性工作汇报。对研究人员每年应该争取多少科研项目和经费、发表多少科研论文、取得多少发明专利等等，一概不提硬性指标，甚至连一年一度的考核都不作具体要求。 　　“实验室不会把发展中遇到的各种竞争和压力简单地按照发表论文数、争取项目数的方式分解给各个教授，但是，实验室面向国家需求、面向科学前沿，通过学科交叉在若干关键领域获得重大科学突破的要求是明确的，全体研究人员对实验室的使命与任务是认同的。”侯建国说，“每年实验室都会对研究工作作整体上的评估。如果说管理创新，这或许应该算是一个。” 　　实验室组织了国际学术咨询顾问委员会，每年召开一次会议，国家实验室和下属的7个研究部分别向国际科学家们提交一份报告，接受他们的质询。实验室要求国际科学家们在集中讨论后给出一份评估报告，并向相关研究部提出两个最新的研究方向，介绍目前世界上哪些研究所或大学在这两个研究方向上做得最好，以便实验室同他们开展合作和交流。 　　“我们有一定的学术奖励， 但奖励的额度并不大。很难说学校的教授们发表论文、做出成果，与这样的奖励有什么必然关系。”侯建国说，“有的团队可能好几年都没有高水平的成果，但实验室和学校并不给他们压力， 我们都知道他在等待突破，在坐冷板凳。对这些热心创造的科学家们来说，‘管理’二字是不太适合的。” 　　只有科学家对外界的诱惑置之度外，科学上的突破才会水到渠成 　　创新源自科学家的原动力 　　陈仙辉教授是科大自己培养的博士，上世纪80年代后期，国际性的高温超体研究取得重大突破， 当时还在读研究生的陈仙辉选择了高温超导作为自己的研究对象。 　　“到目前为止，高温超导的机理还不清楚，需要新的理论来支撑。所以，我总觉得有惊喜在等着我。”陈仙辉的话里透着一种从容与淡定。坚持不懈地追逐“惊喜” 的陈仙辉，在这个领域一干就是20年。平时没有上下班之分，没有工作日和节假日之分，每当有了新的进展或想法，或者学生们有了新的发现，深更半夜他也会兴奋地赶去实验室。 　　厚积薄发。2008年2月19日，日本科学家发表文章称，发现氟搀杂的镧氧铁砷化合物在26K(-247.15℃)时具有超导性。陈仙辉研究了日本的工作后，认为他们没有证明这类材料是真正的高温超导体，于是立刻带领学生开始研究。3 月25日， 结果出来了：这种材料的临界温度超过了40K(-230.15℃)， 突破了“麦克米兰极限” (麦克米兰曾经断定， 传统超导临界温度最高只能达到39K)， 证明了这类超导体是除铜氧化合物高温超导体外的又一高温超导体家族。 　　2个月后， 他们的研究论文在国际权威学术期刊《自然》上发表， 这一成果入选美国《科学》杂志和国内两院院士评选出的当年度世界十大科技进展。 　　“主要靠长期的工作和实验积累，否则不可能敏锐地捕捉到有效的信息，也不可能这么快就有结果。”陈仙辉说。 　　“用‘十年磨一剑’来形容陈仙辉的突破是非常恰当的。”侯建国说，“从他的经历中，我们认识到创新源于科学家的原动力，而不是各种名目繁多的管理与约束措施。只有当科学家们对外界的诱惑和干扰置之度外，而能平心静气地专心于学问的时候，科学上的突破才会水到渠成。” 　　单从待遇和地理环境上说，地处合肥的中科大很难吸引优秀人才 　　科学家更需要的是完善的服务 　　“当然，我并非说实验室的管理者可以无所作为。科学家更需要的不是简单的管理而是完善的服务，管理者应把时间和精力放在为科学家创造条件、解决困难、营造氛围上，使科学家们的好奇心、原动力得以持续。”侯建国深有体会地说。 　　获得2009年度中国十大科技进展的杜江峰教授同样是科大自己培养的博士，也是国内最早从事量子计算技术研究并取得一系列重要进展的科学家之一。2007年， 他结束了欧盟玛丽居里研究员的工作后回校，申请“量子调控” 重大科学研究计划项目(973)“基于核自旋量子调控的固态量子计算研究” 并获得通过，成为该项目的首席科学家。但是，要开展进一步的创新研究，还需要购置先进的实验设备。这对“羽翼未丰”的杜江峰来说无疑是个难题。这时候，学校和国家实验室向他伸出了援助之手，拨给他250万元经费，又借给他300万元经费，再加上他自己的科研经费，一共800万元，全部用来购置实验设备。 　　短短一年多时间，国内第一个脉冲电子顺磁共振实验平台建成了。紧接着，2009年6 月，他和香港中文大学教授刘仁保合作，利用这一实验平台在国际上首次实现了真实固态体系的最优动力学解耦，极大地提高了电子自旋相干时间，并成功厘清各种退相干机制在此类固体体系中的影响。该成果发表在2009年10月29日出版的《自然》上，同期发表的专文评述指出：“他们所使用的量子相干调控技术被证明是一种可以帮助人们理解并且有效对抗量子信息流失的一个重要资源…… 从而朝实现量子计算迈出重要的一步。” 　　有了好的平台，科学家就有了创新的舞台。记者了解到，近年来，中国科大耗资数亿元建设了物理、化学、生命科学、工程科学、信息科学等实验教学中心，集中购置了一批在相关领域内急需的、通用的，而一般科研课题又无力购买的大中型仪器设备，并组建了技术支撑服务队伍，使得全校师生都能在公共科研平台上实现自己的学术思想。许多先进实验设备几乎全天候运转，全校所有相关专业的院系都在用。“用坏了要比放坏了强。” 管理仪器的老师说。 　　从读本科开始， 杜江峰已在科大学习生活和工作了24年。“无论是从待遇还是从地理环境上， 确实找不出来我呆在合肥这么多年的原因，我父亲到现在还对我没去大城市耿耿于怀。可我不愿意离开， 这里有种独特的精神在吸引我， 我很喜欢这个地方。” 杜江峰说。 　　“只在自己的一亩三分地上搞闭关自守，不会有大的出息” 　　学科交叉更重要的在于思想碰撞 　　学科之间的交叉已经几乎渗透到了科学研究的每一个层面。有数据表明，近百年间获得诺贝尔自然科学奖的300多项成果中，约有一半是多学科交叉取得的。 　　微尺度国家实验室很好地实现了物理学、化学、生命科学、信息科学、材料科学等5个一级学科之间的交叉。侯建国形象地说： “志趣相投的人聚到一起， 好比是‘物理组合’， 在国家实验室这个平台上产生‘化学反应’。” 　　被誉为“黄金组合”的侯建国与杨金龙教授就是国家实验室学科交叉的典范。早在1995年， 两人分别从国外回到科大，之后不久他们就在时任校长的朱清时院士的“撮合” 下走到了一起。国家实验室筹建以后，两人的学术合作进入一个新的境界。侯建国负责实验部分的精耕细作，杨金龙负责理论方面的深度掘进，他们带领一批年轻教师和研究生，利用低温超高真空扫描隧道显微镜，巧妙地对吸附于金属表面的钴酞菁分子进行“单分子手术”，成功实现了单分子自旋态的控制。研究成果发表在2005年9月的国际权威学术期刊《科学》上，审稿人评价说：“这项实验工作开辟了一个新的领域”，“是新颖的单分子功能调控的一个极好的例子”。这项成果被评为2005年度中国十大科技进展。目前，微尺度国家实验室已聚集了包括7名中科院院士在内的70多名教授和研究员，建成三大技术支撑平台，培育了国家自然科学基金委的5支优秀创新团队和教育部的4支优秀创新团队。在这种“土壤” 环境下，学科交叉是容易实现的。 　　不同学科解决问题的手段和方式方法也不同，国家实验室在学科交叉方面，虽然对交叉合作的课题给予一定的奖励，但并不刻意要求相互之间必须解决共同问题，而更看重提供一种思想碰撞和相互启发的氛围和机制。 　　“学科交叉更重要的价值在于思想碰撞。”侯建国说。微尺度国家实验室三楼有一个房间，布置得像一间客厅，室内弥漫着咖啡的浓浓香味，朝南的一扇门通向宽阔的阳台，廊檐和栏杆上垂挂着绿色藤蔓。这是实验室研究人员经常聊天、交流的场所，许多学术上的灵感和火花，就是在这种随意宽松的聊天中产生的。 　　实验室各研究部还会经常从世界范围内邀请各自领域最好的学者来作学术报告和交流，而这样的讲座和报告则是全实验室人共同享受的资源。 　　“国家实验室的科研人员都很开放，没有小家子气，乐于和不同学科的人交流自己的学术思想。”杜江峰说，“这样不但能对各自的研究情况有所了解，而且很容易相互启发。在自己的一亩三分地上搞闭关自守，不会有大的出息。” 　　“你们不能永远作为助手，一定要成长起来， 独当一面”， 这是实验室的“军规” 　　给年轻人提供没有“天花板”的创造空间 　　笔者在采访时注意到，微尺度国家实验室近年来连续入选年度中国十大科技进展的团队负责人都在40至50岁之间，而团队骨干力量则大多是二三十岁的年轻人， 其中不少是在读的博士生、硕士生。几乎所有的团队领导者在谈到自己的学生或助手时，都充满了快乐与自豪。在国际量子信息领域，“潘建伟小组”是个知名度不小的名称。 　　1970年出生的潘建伟和一批年龄比他还小的年轻人，在近年来取得了一系列的原创性成果：在世界上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子隐形传态......他们的研究成果从2003年至今已5次入选中国十大科技进展，两次入选欧洲物理学会和美国物理学会评选的年度国际物理学十大进展。 　　在领导量子物理和量子信息实验室的这些年里，为了掌握国际上最先进的量子纠缠技术和量子存储技术，在中国科大和国家实验室的支持下，潘建伟先后赴奥地利和德国海德堡大学做客座教授，并不断融合不同学科背景的年轻人———如做冷原子物理的北大博士陈帅、理论物理的加拿大博士后陈凯、统计物理的荷兰博士后邓友金加盟自己的实验室。同时，他还将国内实验室一批有潜力的学生苑震生、赵博等介绍到国外一流大学读博士或从事博士后研究，在国际学术界的最前沿开阔眼界，增长兴趣，转换思维。 　　如今，潘建伟小组在发展量子技术方面， 已经是“世界上处于领先地位的小组之一” (奥地利维也纳大学物理学家布鲁克纳语)。 　　2009年7月，潘建伟带着他“海外团队” 集体“回家”，光是搬家的清单就足足列了20页之多。已在学术界崭露头角的年轻人面对海外学术机构的邀请没有动摇。“现在国内的科研条件也不错， 而且在优秀团队会进步更快。这个团队是我最好的选择。” 陈凯说。 　　而年轻的潘建伟教授则对他的更年轻的同事们说： “你们不能永远作为助手， 一定要成长起来， 独当一面。” 　　“在实验室里，我常说‘取法乎上， 仅得其中 取法乎中， 仅得其下。’” 侯建国说，“实验室一定要给年轻人提供没有天花板的创造空间，让他们能跳多高就跳多高， 让他们保持学术上的热情和野心。”

近日，中国科学院沈阳自动化研究所在基于微透镜成像研究方面取得新进展，提出一种将原子力显微镜（AFM）与基于微透镜的扫描光学显微镜相结合的无损、快速、多尺度关联成像方法。相关研究成果（Correlative AFM and Scanning Microlens Microscopy for Time-Efficient Multiscale Imaging）发表在Advanced Science上。　　在半导体器件制造中，半导体晶圆的错误检测、缺陷定位和分析对于质量控制和工艺效率至关重要。因此，为了提高芯片特征结构的检测分辨率和效率，需要发展新的大范围、高分辨、快速成像技术。　　为此，依托于沈阳自动化所的机器人学国家重点实验室微纳米自动化团队提出了一种新的关联成像方法。科研人员将微透镜与AFM探针耦合，通过在面向样品的微透镜表面上沉积扫描探针，将基于微透镜的光学成像和AFM两者的优势结合，实现了三种成像模式——微透镜快速高通量扫描光学成像、表面精细结构AFM成像和微透镜AFM同步成像。　　实验结果表明，微透镜的引入提高了传统AFM光学系统的成像分辨率，成像放大率提高了3-4倍，有效地缩小了传统光学成像与AFM之间的分辨率差距。与单一AFM成像模式相比，成像速度提高了约8倍。高通量、高分辨率AFM和扫描超透镜关联显微镜为实现微米到纳米级分辨率的跨尺度快速成像提供了新的技术手段。　　研究工作得到国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目（基于微球超透镜的跨尺度同步微纳观测与操作系统）和机器人学国家重点实验室自主项目的支持。AFM和扫描微透镜关联成像示意图半导体芯片成像结果

近年来，微米尺度金属增材制造技术得到了快速的发展，并广泛应用于光学、微机器人、微电子学等领域。目前，微米尺度3D金属结构可以采用聚焦电子/离子束诱导沉积、激光感应光致还原等3D打印技术直接制备而成，或者采用双光子聚合3D打印技术结合电镀技术多步制备而成。其中，基于金属离子局部电化学还原反应的电化学沉积技术被认为具有极大的优势：该技术无需进行任何后处理，而且可制备致密性好、导电、无污染的金属样件。然而，如何在保持打印分辨率的情况下提高打印速率是该技术面临的一个难题。本研究论文是基于中空原子力显微镜(AFM)悬臂梁的金属电化学沉积3D打印系统，在保持电场电势和体素高度不变的情况下，研究了施加压力和喷嘴直径对体素水平尺寸的影响。研究结果发现，在打印过程中保持喷嘴直径不变，针对施加压力的实时调整可以实现体素面积两个数量级的跨越，并且通过改变施加压力，使用孔径为500nm的喷嘴成功制备了四根线径不同的铜线圈。基于以上研究，该技术通过精确调整体素尺寸不仅可以实现同一打印样件从亚微米级到亚毫米级的跨尺度制作，而且还可以显著提高打印速率。该技术使用铜作为金属打印材料，但同样适用于其他电镀金属。 图1. 基于中空AFM悬臂梁金属电化学沉积3D打印系统示意图及打印过程示意图 图2. 使用孔径为500nm的喷嘴打印的四根线径不同的铜线圈的SEM图，其中，a图和b图是同一结构的两种不同视图 原文链接：https://doi.org/10.1002/adem.201900961关于摩方精密重庆摩方精密科技有限公司(BMF，Boston Micro Fabrication)从事微纳3D打印设备的研发、生产及销售，专注于高精密3D打印领域。摩方精密采用面投影微立体光刻（PμSL: Projection Micro Stereolithography）技术，该技术具有成型效率高、加工成本低等突出优势。作为高精密增材制造领域的领军企业，已和众多全球知名企业开展业务合作，包括GE医疗、美国强生、日本电装、安费诺、泰科电子等，产品广泛应用在连接器、精密医疗器械、消费电子、精密加工等行业。摩方精密也与瑞士Exaddon AG公司合作，在中国区进行微纳金属3D打印设备提供服务和推广。基于电化学沉积技术的金属微增材制造技术，Exaddon创新地设计了微纳金属打印系统CERES。CERES可以在室温下以亚微米级分辨率打印复杂的微金属结构，尺寸从1 μm到最大1000 μm(人类的头发一般为80～90μm)，并且无需进行后处理。Exaddon CERES 微纳金属3D打印系统官网：https://www.bmftec.cn/links/10

1月19日，由中国科学院、中国工程院557名院士投票评选的2010年度中国十大科技进展新闻揭晓，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室(简称微尺度实验室)与清华大学联合小组完成的“实现16公里自由空间量子态隐形传输”荣列其中。 　　这已是该实验室自2003年获批筹建以来连续数年有成果入选中国十大科技进展新闻。与此同时，该实验室筹建以来还有1项成果入选年度世界十大科技进展新闻、3项成果入选国际物理学年度重大进展、5项成果入选中国高校十大科技进展、5项成果入选中国基础研究十大新闻…… 　　微尺度实验室的“创新炉火”为何越烧越旺?中国科大校长、微尺度实验室常务副主任侯建国院士揭示了其中的三大奥秘。 　　没有硬性考核指标创新源自科学家的原动力 　　“我们没有规定硬性考核指标。”侯建国介绍说，实验室对科研团队负责人每年应该争取多少科研项目和经费、发表多少科研论文、取得多少发明专利等等，一概不提硬性指标，甚至连一年一度的考核都不作具体要求，只是要求进行3～5年的阶段性工作汇报。 　　陈仙辉教授从上世纪80年代后期开始高温超导研究，在这个领域默默地一干就是20年。平时没有上下班之分，没有工作日和节假日之分，每当有了新的进展或想法，他深更半夜也会兴奋地赶到实验室。2008年3月，他带领学生发现氟搀杂的镧氧铁砷化合物的超导临界温度超过40K(-230.15℃)，突破了“麦克米兰极限”(麦克米兰曾经断定，传统超导临界温度最高只能达到39K)，证明了这类超导体是除铜氧化合物高温超导体外的又一高温超导体家族。研究论文在国际学术期刊《自然》上发表，这一成果入选美国《科学》杂志和国内两院院士评选出的当年的世界十大科技进展新闻。 　　“从他长期积累的学术经历里，我们可以看到，创新源于科学家的原动力，而不是各种名目繁多的管理与约束措施。”侯建国表示，只有当科学家对于外界的诱惑和干扰置之度外，能平心静气地专心于学问的时候，科学上的突破才会水到渠成。 　　因此，实验室不把发展中遇到的各种竞争和压力简单地按照发表论文数、争取项目数的方式分解给各个教授，而是牢固树立通过学科交叉在若干关键领域获得重大科学突破的目标。“我们需要的是科学家们对实验室目标的认同和价值观的认同。”侯建国说。 　　没有学科间的壁垒交叉的价值在于思想碰撞 　　现代科学中新的重大突破性科研成果往往产生于不同学科的交叉、融合之中。有数据表明，近百年间获得诺贝尔自然科学奖的成果中有大约一半是多学科交叉取得的。 　　目前，微尺度实验室实现了物理学、化学、生命科学、信息科学、材料科学等五个一级学科之间的交叉，已聚集了包括7名中科院院士、4名“千人计划”教授、10名“长江学者”特聘教授、24名国家杰出青年基金获得者、32名中科院“百人计划”教授在内的90多名教授和研究员，建成三大技术支撑平台，培育了国家自然科学基金委的5支优秀创新团队和教育部的4支优秀创新团队。 　　在单分子操纵研究中，侯建国与杨金龙教授的合作堪称“黄金组合”，前者负责实验部分的精耕细作，后者负责理论方面的深度掘进。他们带领一批年轻教师和研究生，利用低温超高真空扫描隧道显微镜，巧妙地对吸附于金属表面的钴酞菁分子进行“单分子手术”，成功实现了单分子自旋态的控制。 　　研究成果发表在国际学术期刊《科学》上，审稿人评价说：“这是新颖的单分子功能调控的一个极好的例子。”这项成果被评为2005年度中国十大科技进展。 　　“我们虽然对交叉合作的课题给予一定的奖励，但并不刻意要求相互之间必须解决共同问题，而更看重提供一种思想碰撞和相互启发的氛围和机制。”侯建国说。微尺度实验室三楼有一个房间，布置得像一间客厅，室内弥漫着咖啡的浓浓香味，室外阳台的廊檐和栏杆上垂挂着绿色藤蔓。这是实验室研究人员经常聊天、交流的场所，许多学术上的灵感和火花就是在这里碰撞出来的。实验室各研究部还经常从世界范围内邀请最好的学者来作学术报告和交流，而这样的讲座和报告则是全实验室人共享的资源。 　　没有“天花板”限制，年轻人需要创造空间 　　微尺度国家实验室近年来连续入选年度中国十大科技进展的团队负责人都在40～50岁之间，而团队骨干力量则大多是二三十岁的年轻人，其中不少是在读的博士生、硕士生。 　　获得2009年度中国十大科技进展的杜江峰教授是国内最早从事量子计算技术研究并取得一系列重要进展的科学家之一。2007年，他申请量子调控“973”计划“基于核自旋量子调控的固态量子计算研究”并获得通过，成为该项目首席科学家。 　　但要开展进一步的创新研究，还需要购置先进的实验设备。这对“羽毛未丰”的杜江峰来说无疑是个难题，学校和国家实验室通过划拨、出借等方式帮助他筹集了800万元，全部用来购置实验设备。 　　短短一年多时间，国内第一个脉冲电子顺磁共振实验平台建成了。 　　紧接着，2009年6月，他和香港中文大学教授刘仁保合作，利用这一实验平台在国际上首次实现了真实固态体系的最优动力学解耦，极大地提高了电子自旋相干时间，并成功厘清各种退相干机制在此类固体体系中的影响。该成果发表在《自然》杂志上，同期评述文章指出：“他们取得的研究进展的重要性在于极大提升了现实物理体系的性能，从而朝实现量子计算迈出重要的一步。” 　　为了给年轻人营造肥沃的创新土壤，近年来，中国科大耗资数亿元建设了物理、化学、生命科学、工程科学、信息科学和高性能计算等实验教学中心，集中购置了一批急需、通用而一般课题组无力购买的大中型仪器设备，并组建了专业的技术支撑服务队伍，使得全校师生都能在公共科研平台上实现自己的学术梦想。许多先进实验设备几乎全天候运转，全校所有相关专业的院系都在用。 　　“在实验室里，我常说‘取法乎上，仅得其中 取法乎中，仅得其下’。”侯建国说，“实验室一定要给年轻人提供没有天花板的创造空间，让他们能跳多高就跳多高。”