发表在nature上的机械论文

【新智元导读】 2月25日，清华大学工程物理系唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》，报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」的首个原理验证实验。与之相关的极紫外光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

最现代的研究用光源是基于粒子加速器的。

这些都是大型设施，电子在其中被加速到几乎是光速，然后发射出具有特殊性质的光脉冲。

在基于存储环的同步辐射源中，电子束在环中旅行数十亿转，然后在偏转磁体中产生快速连续的非常明亮的光脉冲。

相比之下，自由电子激光器(FEL)中的电子束被线性加速，然后发出单次超亮的类似激光的闪光。

近年来，储能环源以及FEL源促进了许多领域的进步，从对生物和医学问题的深入了解到材料研究、技术开发和量子物理学。

现在，一个中德团队证明，在同步辐射源中可以产生一种脉冲模式，结合了两种系统的优点。

2月25日，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在Nature上发表了题为《稳态微聚束原理的实验演示》（ Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching ）的论文。

报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。

该研究与极紫外（EUV）光刻机光源密切相关，有望为EUV光刻机提供新技术路线。

SSMB光源首个原理验证实验，中德团队登上Nature

同步辐射源提供短而强烈的微束电子，产生的辐射脉冲具有类似于激光的特性（与FEL一样），但也可以按顺序紧密跟随对方（与同步辐射光源一样）。

大约十年前，斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授、著名加速器理论家赵午和他的博士生Daniel Ratner以提出了「稳态微束」（SSMB）。

赵午教授

该机制还应该使存储环不仅能以高重复率产生光脉冲，而且能像激光一样产生相干辐射。

来自清华大学的青年物理学家邓秀杰在他的博士论文中提出了这些观点，并对其进行了进一步的理论研究。

2017年，赵午教授联系了HZB的加速器物理学家，他们除了在HZB操作软X射线源BESSY II外，还在PTB操作计量光源（MLS）。

MLS是世界上第一个通过设计优化运行的光源，在所谓的 「低α模式 」下运行。

在这种模式下，电子束可以大大缩短。10多年来，那里的研究人员一直在不断开发这种特殊的运行模式。

HZB的加速器专家Markus Ries解释说：「现在，这项开发工作的成果使我们能够满足具有挑战性的物理要求，在MLS实证确认SSMB原理」。

「SSMB团队中的理论小组在准备阶段就定义了实现机器最佳性能的物理边界条件。这使我们能够用MLS生成新的机器状态，并与邓秀杰一起对它们进行充分的调整，直到能够检测到我们正在寻找的脉冲模式」，HZB的加速器物理学家Jörg Feikes说。

HZB和PTB专家使用了一种光学激光器，其光波与MLS中的电子束在空间和时间上精确同步耦合。

这就调制了电子束中电子的能量。

「这使得几毫米长的电子束在存储环中正好转了一圈后分裂成微束（只有1微米长），然后发射光脉冲，像激光一样相互放大」，Jörg Feikes解释道。

「对相干态的实验性探测绝非易事，但我们PTB的同事开发了一种新的光学检测装置，成功地进行了探测。」

SSMB概念提出后，赵午持续推动SSMB的研究与国际合作。

2017年，唐传祥与赵午发起该项实验，唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。

揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键一步，是在真实机器上演示其机制。在新的论文中，研究人员报告了SSMB机制的实验演示。

SSMB原理验证实验示意图

实验表明，存储在准等时环中的电子束可以产生亚微米级的微束和相干辐射，由1,064纳米波长激光器诱导的能量调制后一个完整的旋转。

结果验证了电子的光相可以在亚激光波长的精度上逐次相关。

SSMB原理验证实验结果

在这种相位相关性的基础上，研究人员通过应用相位锁定的激光器与电子轮流相互作用来实现SSMB。

该图示直观地展示了如何通过激光调制电子束来产生发射激光的微束，是实现基于SSMB的高重复性、高功率光子源的一个里程碑。

有望解决EUV卡脖子难题

没有顶尖的光刻机，是我国半导体行业发展的最大瓶颈。

光刻机的曝光分辨率与波长直接相关，半个多世纪以来，光刻机光源的波长不断缩小，芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为13.5纳米光源的EUV（极紫外光源）光刻。

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。

EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光，在晶圆上「雕刻」电路，最后将让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管，这种设备工艺展现了人类 科技 发展的顶级水平。

而昂贵的EUV光刻机也正是实现7nm的关键设备，目前，荷兰ASML是全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商，而由于禁令，我国中芯国际订购的一台EUV仍未到货。

如果中国大陆无法引入ASML的EUV光刻机，则意味着大陆将止步于7nm工艺。

目前ASML公司采用的是高能脉冲激光轰击液态锡靶，形成等离子体然后产生波长13.5纳米的EUV光源，功率约250瓦。而随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。

SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源。它们产生的类似激光的辐射也超出了 "光 "的可见光谱，例如在EUV范围内，最后阶段，SSMB源可以提供一种新的辐射特性。脉冲是强烈的、集中的和窄带的。可以说，它们结合了同步辐射光的优势和FEL脉冲的优势。

可以说，基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

关于作者

本文的通讯作者唐传祥教授是清华大学的博士生导师。

1992年9月－1996年3月，考入 清华大学工程物理系硕博连读。1996年3月获得工学博士学位， 博士学位论文为“用于北京自由电子激光装置的多腔热阴极微波电子枪的研究”。

1996年4月获得博士学位后，留校工作。

1996年7月 1998年6月期间，作为访问学者到德国DESY工作2年。在DESY工作期间，主要进行超导加速结构的优化及测量研究，并与J. Sekutowicz, M.Ferrario等合作提出了Superstructure的超导加速结构。

1998年6月回国后，继续在清华大学从事加速器物理、高亮度注入器、汤姆逊散射X射线源、自由电子激光、新加速原理与新型加速结构、电子直线加速器关键物理及技术、加速器应用等方面的研究。

参考资料：

编译 | 未玖

Nature , 14 April 2022, VOL 604, ISSUE 7905

《自然》 2022年4月14日，第604卷，7905期

天文学 Astronomy

A dusty compact object bridging galaxies and quasars at cosmic dawn

在宇宙黎明时分，星系由尘埃致密体过渡到类星体

作者：S. Fujimoto, G. B. Brammer, D. Watson, G. E. Magdis, V. Kokorev, T. R. Greve, et al.

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摘要：

自从发现发光类星体在宇宙大爆炸后仅存在7亿年以来，了解超大质量黑洞在早期宇宙中如何形成和生长已成为一个重大难题。

理论模拟显示了一种进化序列，尘埃红移的类星体从严重尘埃遮蔽的星暴星系中出现，然后通过释放气体和尘埃过渡到无遮蔽的发光类星体。尽管最后一个阶段的红移已被确定为7.6，但由于它们在光学和近红外波长上的微弱性，目前尚未发现具有类似红移的过渡类星体。

研究组报道了一个紫外致密天体GNz7q的观测结果，它与一个红移为7.1899   0.0005、尘埃掩蔽的星暴有关。

在该时期，宿主星系的尘埃辐射比任何其他已知物体都要明亮，在480秒差距的中心半径范围内，每年形成1600个太阳质量的恒星。在深部、高分辨率成像和无狭缝光谱中，可识别出一个远紫外的红点源。

GNz7q在X射线中非常微弱，这表明在尘埃星暴核心出现了一个独特的紫外致密恒星形成区或一个康普顿厚、超过爱丁顿极限的黑洞吸积盘。在后一种情况下，观测到的性质与宇宙学模拟的预测一致，并表明GNz7q是晚期无遮蔽发光类星体的祖先。

Abstract：

Understanding how super-massive black holes form and grow in the early Universe has become a major challenge since it was discovered that luminous quasars existed only 700 million years after the Big Bang. Simulations indicate an evolutionary sequence of dust-reddened quasars emerging from heavily dust-obscured starbursts that then transition to unobscured luminous quasars by expelling gas and dust. Although the last phase has been identified out to a redshift of 7.6, a transitioning quasar has not been found at similar redshifts owing to their faintness at optical and near-infrared wavelengths. Here we report observations of an ultraviolet compact object, GNz7q, associated with a dust-enshrouded starburst at a redshift of 7.1899   0.0005. The host galaxy is more luminous in dust emission than any other known object at this epoch, forming 1,600 solar masses of stars per year within a central radius of 480 parsec. A red point source in the far-ultraviolet is identified in deep, high-resolution imaging and slitless spectroscopy. GNz7q is extremely faint in X-rays, which indicates the emergence of a uniquely ultraviolet compact star-forming region or a Compton-thick super-Eddington black-hole accretion disk at the dusty starburst core. In the latter case, the observed properties are consistent with predictions from cosmological simulations and suggest that GNz7q is an antecedent to unobscured luminous quasars at later epochs.

物理学 Physics

Intelligent infrared sensing enabled by tunable moiré quantum geometry

可调谐莫尔量子几何实现智能红外传感

作者：Chao Ma, Shaofan Yuan, Patrick Cheung, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Fan Zhang, et al.

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摘要：

众所周知，固体中布洛赫波函数的量子几何性质，即贝里曲率和量子度量，显著影响着电子的基态和激发态行为。

体光伏效应（BPVE）是一种依赖于激发光偏振的非线性现象，在很大程度上取决于光学跃迁中的量子几何特性。红外BPVE尚未在石墨烯或莫尔体系等新兴平台中观察到，尽管这些平台已报道过与量子几何有关的激发强关联现象。

研究组报道了在扭曲双双层石墨烯（TDBG）中观察到5 µm和7.7 µm处可调谐中红外BPVE，由莫尔诱导的强对称性破缺和量子几何贡献产生。光响应在很大程度上取决于激发光的偏振态，且可通过外部电场进行高度调谐。

这种量子几何特性的广泛可调性使研究组能够使用卷积神经网络同时实现全斯托克斯偏振测量和波长检测，仅使用一个亚波长足迹仅为3  3  µm2的TDBG器件 。

该研究工作不仅揭示了莫尔工程量子几何在可调谐非线性光-物质相互作用中的独特作用，还以极其紧凑的芯片方式为未来智能传感技术开辟了新途径。

Abstract：

Quantum geometric properties of Bloch wave functions in solids, that is, Berry curvature and the quantum metric, are known to significantly influence the ground- and excited-state behaviour of electrons. The bulk photovoltaic effect (BPVE), a nonlinear phenomenon depending on the polarization of excitation light, is largely governed by the quantum geometric properties in optical transitions. Infrared BPVE has yet to be observed in graphene or moiré systems, although exciting strongly correlated phenomena related to quantum geometry have been reported in this emergent platform. Here we report the observation of tunable mid-infrared BPVE at 5 µm and 7.7 µm in twisted double bilayer graphene (TDBG), arising from the moiré-induced strong symmetry breaking and quantum geometric contribution. The photoresponse depends substantially on the polarization state of the excitation light and is highly tunable by external electric fields. This wide tunability in quantum geometric properties enables us to use a convolutional neural network to achieve full-Stokes polarimetry together with wavelength detection simultaneously, using only one single TDBG device with a subwavelength footprint of merely 3   3 µm2. Our work not only reveals the unique role of moiré engineered quantum geometry in tunable nonlinear light–matter interactions but also identifies a pathway for future intelligent sensing technologies in an extremely compact, on-chip manner.

材料科学 Materials Science

Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation

通过成分起伏同时实现拉伸塑性与超高强度

作者：Heng Li, Hongxiang Zong, Suzhi Li, Shenbao Jin, Yan Chen, Matthew J. Cabral, et al.

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摘要：

具有纳米晶粒的金属有接近2 GPa的超高强度。然而，这种极端的晶界强化导致几乎所有拉伸塑性的丧失，即使当金属具有面心立方结构（所有晶体结构中塑性最强的结构）时亦如此。

研究组证明了纳米晶镍-钴固溶体虽仍是面心立方单相，但其拉伸强度约为2.3  GPa，塑性断裂伸长率约为16 %。

这种不寻常的拉伸强度和塑性的结合是通过高浓度固溶体中的成分起伏实现的。这种起伏使得层错能和晶格应变在1-10纳米的尺度范围内发生空间变化，从而显著影响了位错运动。

尽管纳米晶粒内部空间非常有限，但位错运动变得缓慢，促进了它们的交互作用、联锁和增殖。因此，流动应力增加，同时位错储存增加，从而提升了应变硬化能力，提高了塑性。

同时，沿位错线的分段脱捕需要较小的激活体积，因此应变速率敏感性增加，这也稳定了拉伸流动。因此，抗位错传播的起伏结构提供了一种强化机制，可在高流动应力下保持拉伸塑性。

Abstract：

Metals with nanocrystalline grains have ultrahigh strengths approaching two gigapascals. However, such extreme grain-boundary strengthening results in the loss of almost all tensile ductility, even when the metal has a face-centred-cubic structure—the most ductile of all crystal structures. Here we demonstrate that nanocrystalline nickel–cobalt solid solutions, although still a face-centred-cubic single phase, show tensile strengths of about 2.3 gigapascals with a respectable ductility of about 16 per cent elongation to failure. This unusual combination of tensile strength and ductility is achieved by compositional undulation in a highly concentrated solid solution. The undulation renders the stacking fault energy and the lattice strains spatially varying over length scales in the range of one to ten nanometres, such that the motion of dislocations is thus significantly affected. The motion of dislocations becomes sluggish, promoting their interaction, interlocking and accumulation, despite the severely limited space inside the nanocrystalline grains. As a result, the flow stress is increased, and the dislocation storage is promoted at the same time, which increases the strain hardening and hence the ductility. Meanwhile, the segment detrapping along the dislocation line entails a small activation volume and hence an increased strain-rate sensitivity, which also stabilizes the tensile flow. As such, an undulating landscape resisting dislocation propagation provides a strengthening mechanism that preserves tensile ductility at high flow stresses.

Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect

钙钛矿-氧化铟互连有机串联太阳能电池

作者：K. O. Brinkmann, T. Becker, F. Zimmermann, C. Kreusel, T. Gahlmann, M. Theisen, et al.

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摘要：

多结太阳能电池可以克服单结器件的基本效率限制。金属卤化物钙钛矿型太阳能电池的带隙可调性使其在多结结构中具有吸引力。硅和铜铟硒化镓（CIGS）以及全钙钛矿串联电池的组合已有报道。与此同时，窄间隙非富勒烯受体为有机太阳能电池带来了快速提升的效率。

有机和钙钛矿半导体是一种很有吸引力的组合，具有相似的加工技术。目前，钙钛矿-有机串联电池的效率低于标准，并且受到宽间隙钙钛矿电池的低开路电压（Voc）和子电池之间互连引入损耗的限制。

研究组展示了钙钛矿-有机串联电池的效率为24.0%（认证为23.1%），Voc高达2.15 伏特。优化的电荷提取层使钙钛矿子电池具有高Voc和填充因子的出色组合。

该串联电池的有机子电池在近红外下提供了高外部量子效率，与对非富勒烯电池有限光稳定性的典型担忧相反，如果激子主要在非富勒烯受体上产生，则表现出出色的操作稳定性。子电池由一层超薄（约1.5纳米）类金属氧化铟层连接，具有前所未有的低光/电损耗。

这项工作为钙钛矿-有机串联电池竖了一座里程碑，它优于最好的p–i–n钙钛矿单结，并与钙钛矿-CIGS和所有钙钛矿多结相媲美。

Abstract：

Multijunction solar cells can overcome the fundamental efficiency limits of single-junction devices. The bandgap tunability of metal halide perovskite solar cells renders them attractive for multijunction architectures. Combinations with silicon and copper indium gallium selenide (CIGS), as well as all-perovskite tandem cells, have been reported. Meanwhile, narrow-gap non-fullerene acceptors have unlocked skyrocketing efficiencies for organic solar cells. Organic and perovskite semiconductors are an attractive combination, sharing similar processing technologies. Currently, perovskite–organic tandems show subpar efficiencies and are limited by the low open-circuit voltage (Voc) of wide-gap perovskite cells and losses introduced by the interconnect between the subcells. Here we demonstrate perovskite–organic tandem cells with an efficiency of 24.0 per cent (certified 23.1 per cent) and a high Voc of 2.15 volts. Optimized charge extraction layers afford perovskite subcells with an outstanding combination of high Voc and fill factor. The organic subcells provide a high external quantum efficiency in the near-infrared and, in contrast to paradigmatic concerns about limited photostability of non-fullerene cells, show an outstanding operational stability if excitons are predominantly generated on the non-fullerene acceptor, which is the case in our tandems. The subcells are connected by an ultrathin (approximately 1.5 nanometres) metal-like indium oxide layer with unprecedented low optical/electrical losses. This work sets a milestone for perovskite–organic tandems, which outperform the best p–i–n perovskite single junctions and are on a par with perovskite–CIGS and all-perovskite multijunctions.

机械工程 Mechanical Engineering

Thermophotovoltaic efficiency of 40%

科学家实现40%的热光伏效率

作者：Alina LaPotin, Kevin L. Schulte, Myles A. Steiner, Kyle Buznitsky, Colin C. Kelsall, Daniel J. Friedman, et al.

链接：

摘要：

热光伏（TPV）主要通过光伏效应将红外波长的光转换为电能，可使用比目前普遍存在于电力生产中的涡轮机更高温度的热源进行能量存储和转换。

自从在2000 下使用集成背表面反射器和钨发射极首次展示29%的高效TPV以来，TPV的制造和性能得到了改善。然而，尽管预测TPV的效率可能超过50%，但在温度低于1300 下，实际效率仍仅为32%。

研究组报道了效率超过40%的TPV电池的制造和测量，并通过实验证明了高带隙串联TPV电池的效率。TPV电池是由带隙在1.0-1.4 eV的III–V材料组成的双结器件，针对1900-2400 的发射极温度进行了优化。

电池利用带边光谱滤波的概念来获得高效率，使用高反射背表面反射器来拒绝不可用的子带隙辐射返回发射极。在功率密度为2.39 W cm –2 ，发射极温度为2400 的条件下，1.4/1.2 eV器件的最大效率为（41.1   1）%。在功率密度为1.8 W cm–2，发射极温度为2127 的条件下，1.2/1.0 eV器件的最大效率为（39.3   1）%。

这些电池可以集成到一个TPV系统中，用于热能电网存储，以实现可调度的可再生能源。这为热能电网存储创造了一条途径，以达到足够高的效率和足够低的成本，从而实现电网脱碳。

Abstract：

Thermophotovoltaics (TPVs) convert predominantly infrared wavelength light to electricity via the photovoltaic effect, and can enable approaches to energy storage and conversion that use higher temperature heat sources than the turbines that are ubiquitous in electricity production today. Since the first demonstration of 29% efficient TPVs using an integrated back surface reflector and a tungsten emitter at 2,000  C, TPV fabrication and performance have improved. However, despite predictions that TPV efficiencies can exceed 50%, the demonstrated efficiencies are still only as high as 32%, albeit at much lower temperatures below 1,300  C. Here we report the fabrication and measurement of TPV cells with efficiencies of more than 40% and experimentally demonstrate the efficiency of high-bandgap tandem TPV cells. The TPV cells are two-junction devices comprising III–V materials with bandgaps between 1.0 and 1.4 eV that are optimized for emitter temperatures of 1,900–2,400  C. The cells exploit the concept of band-edge spectral filtering to obtain high efficiency, using highly reflective back surface reflectors to reject unusable sub-bandgap radiation back to the emitter. A 1.4/1.2 eV device reached a maximum efficiency of (41.1   1)% operating at a power density of 2.39 W cm–2 and an emitter temperature of 2,400  C. A 1.2/1.0 eV device reached a maximum efficiency of (39.3   1)% operating at a power density of 1.8 W cm –2 and an emitter temperature of 2,127  C. These cells can be integrated into a TPV system for thermal energy grid storage to enable dispatchable renewable energy. This creates a pathway for thermal energy grid storage to reach sufficiently high efficiency and sufficiently low cost to enable decarbonization of the electricity grid.

地球科学 Earth Science

Realization of Paris Agreement pledges may limit warming just below 2

实现《巴黎协定》的承诺有望将全球变暖控制在2 以下

作者：Malte Meinshausen, Jared Lewis, Christophe McGlade, Johannes Gütschow, Zebedee Nicholls, Rebecca Burdon, et al.

链接：

摘要：

在《格拉斯哥气候公约》签署前的过去五年中，154个缔约方在其国家自主贡献中提交了新的或更新的2030年减缓目标，76个缔约方提出了长期承诺。对2021联合国气候变化大会（COP26）之前承诺的量化表明，将升温控制在2 以下的可能性低于50 %。

研究组证明，如果所有有条件和无条件的承诺都得到充分和及时的执行，全球变暖可以控制在2  以下。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告中第一工作组对地球系统不确定性进行的概率表征，在全面执行的情况下，峰值升温可被限制在1.9-2.0  之间。

研究组回顾性地预测了21世纪的气候变暖，以显示2015-2021年雄心勃勃的总体目标水平如何变化。研究结果依赖于对2030年或2050年之后的限时目标外推、IPCC 1.5 特别报告（SR1.5）情景数据库的特征和承诺的全面实施情况。

对这些因素更悲观的假设将导致更高的升温预测。另一个独立的排放模型框架预测，全球升温峰值为1.8 ，这支持了该研究发现，即各国兑现承诺可能会将全球变暖限制在略低于2 的范围内。

若不仅要将升温控制在“略低于”，还要控制在“远低于”2  或1.5 ，则迫切需要制定政策和采取行动，以在本世纪中叶实现全球C O2 净零排放。

Abstract：

Over the last five years prior to the Glasgow Climate Pact, 154 Parties have submitted new or updated 2030 mitigation goals in their nationally determined contributions and 76 have put forward longer-term pledges. Quantifications of the pledges before the 2021 United Nations Climate Change Conference (COP26) suggested a less than 50 per cent chance of keeping warming below 2 degrees Celsius. Here we show that warming can be kept just below 2 degrees Celsius if all conditional and unconditional pledges are implemented in full and on time. Peak warming could be limited to 1.9–2.0 degrees Celsius in the full implementation case—building on a probabilistic characterization of Earth system uncertainties in line with the Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). We retrospectively project twenty-first-century warming to show how the aggregate level of ambition changed from 2015 to 2021. Our results rely on the extrapolation of time-limited targets beyond 2030 or 2050, characteristics of the IPCC 1.5  C Special Report (SR1.5) scenario database and the full implementation of pledges. More pessimistic assumptions on these factors would lead to higher temperature projections. A second, independent emissions modelling framework projected peak warming of 1.8 degrees Celsius, supporting the finding that realized pledges could limit warming to just below 2 degrees Celsius. Limiting warming not only to ‘just below’ but to ‘well below’ 2 degrees Celsius or 1.5 degrees Celsius urgently requires policies and actions to bring about steep emission reductions this decade, aligned with mid-century global net-zero C O2 emissions

作者 | 张晴丹

你能想象0.2克的“绳子”可以提起5公斤重的物体吗？

没开玩笑，这是科研人员创造出的一种力学性能惊人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。

近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。

评审专家之一、麻省理工学院教授赵选贺认为，“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”

1+1 10，凝胶界的“佼佼者”

“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。

此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1 10的效果。

王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。

论文中展示的是用0.2克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。

离子液体这个溶剂本身不挥发，且具有很高的热稳定性和导电性。因此，创造出的这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景。“可用于电池、传感器、3D打印、致动器和柔性电子设备等。”Michael D. Dickey说。

可穿戴柔性电子器件是当下科学研究的热门之一，要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求，所以对材料的要求极高。以往做展示用的较多的是传统柔性材料——水凝胶，但水凝胶稳定性是个大问题，长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。

“离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定不挥发，不需要任何包覆；其次具有高导电性，不需要额外添加导电介质；可穿戴设备往往需要大变形，离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说，“还有一点，它具有自愈合和形状记忆的特性。”

一步法轻松做成

长期以来，在凝胶材料领域最火的，非水凝胶莫属。

实际上，水凝胶在生活中已相当常见。比如，隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。自62年前水凝胶横空出世，科研人员便绞尽脑汁地挖掘其力学性能，涌现了无数重大成果。

但同为凝胶材料，离子液体凝胶领域的研究则发展较慢。例如力学性能研究还是一块空白，很难把它的力学性能做到与高强度水凝胶相媲美的程度。

在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶的方法并不易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。

挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因，恰好离子液体这个溶剂的“72般变化”也让王美香着迷。

“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说。离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，里面含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。

研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始。

最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺融到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。

完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？

“把丙烯酰胺和丙烯酸融到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”

一步法就这样诞生了！它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。

为实验蓄能，把理论变为现实

王美香在西安交通大学读博期间，就一直从事水凝胶研究。但她看到了离子液体凝胶材料的巨大潜力，因此萌生了调整研究方向的想法。

2018年12月，王美香从西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后，进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后，主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备，以及研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。

在新的平台，王美香也顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。

但是，王美香刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫情就来了，一下打乱了研究计划，学校封闭，无法进入实验室。

她便利用这段时间查阅文献，为实验蓄能。在家“闭关”三个月后，终于等来复工的消息。王美香便一头扎进实验里，每天在实验室待八个小时，把实验过程中看到的现象记录下来，晚上回家查资料来分析这些现象的成因。

幸运的是，这项工作从始至终都比较顺利，这篇论文投给期刊也很快被接收。并且，评审专家都对该成果给了很高的评价。

“接下来，我们将会做应用方面的拓展，想把离子液体凝胶与3D打印技术相结合，用于开发新型柔性机器人。”王美香说。

参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者就有4位。除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。