【科创热榜前沿科技周报】-36期转贴

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前沿科技盘点〔36〕｜破“次元壁”了！仿生学制造细微曲面；后摩尔时代，黑磷材料体系有望成为“杀手级”应用；地核不是一坨无聊的铁！ 原文链接：https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/zt ... 0230627_125844.html

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为了让异质集成芯片材料不再“卡脖子”，研究人员集中力量攻坚克难，针对黑磷及其合金的单晶薄膜制备问题提出了有效解决方案；不同于科幻小说家儒勒·凡尔纳的《地心之旅》一书中所描绘的那样，地球内核不是空心的，而是由固态铁和流动的轻元素（碳、氢、氧）组成的超离子态，研究团队抓住线索深挖，发现了超离子态铁-氢合金可以与地磁场发生相互作用，在偶极磁场的作用下形成各向异性结构……基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第三十六期。

1《Nature Materials》｜为什么说后摩尔时代，黑磷材料体系有望成为“杀手级”应用

黑磷单晶薄膜的生长以及单晶质量表征

    随着芯片技术的发展，摩尔定律（Moore Law）已不可避免地走向三大分支：延续摩尔（More Moore）、扩充摩尔（More than Moore）、超越摩尔（Beyond Moore）。这其中，扩充摩尔（也称异质集成技术）发展迅猛，风头正劲。异质集成指的是：将单独制造组件集成为更高级别的组装体，即一颗芯片整合更多功能。黑磷是面向下一代电子、光电子应用的重要备选材料之一。黑磷之于异质集成技术，相当于硅等半导体材料之于初代芯片。而制备出大面积、高质量黑磷二维原子晶体薄膜，将成为其走向规模化集成应用的关键。聚焦上述问题，武汉大学物理科学与技术学院何军教授课题组、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张凯研究员和湖南大学潘安练教授共同发表有关二维电子材料及光电芯片最新研究成果，围绕黑磷及其合金的单晶薄膜制备问题提出了有效解决方案。

研究团队与合作者设计开发了一种新的缓释控源的生长策略，利用“分子筛”多孔供源通道控制磷源缓释供给，维持稳定的低压生长环境，避免传统的磷源对流供给模式，获得可控的扩散供给模式，有效降低成核密度及晶体缺陷。

2《Science》｜仿生学制造细微曲面，破“次元壁”了！

基于仿生微点阵设计概念的三维细微曲面定制化设计。A图为生物体中的三维多孔微结构；B图为章鱼状三维细微曲面的定制化设计流程

“魔鬼往往藏在细节里”(Devils in the details)——卷心菜、花朵、蜂窝、章鱼、蚂蚁……形态各异的生物往往拥有复杂的曲面。受这些生物曲面的三维多孔微结构启发，人类设计制造出大量复杂结构的产品并实现了规模化量产。但其中涉及到精细调控二维微米薄膜厚度分布的部分，都成了技术瓶颈。

对此，清华大学航天航空学院和柔性电子技术实验室张一慧教授课题组另辟蹊径，设计思路超越“二维”，跳到“三维”：课题组提出，以一种微点阵设计概念精细调控二维薄膜的刚度分布特征，进一步结合力学引导的三维屈曲组装方法，实现三维复杂细微曲面的定制化设计与制备。

该课题组通过建立基于曲梁变形理论和机器学习算法的微点阵设计方法，用于优化二维点阵薄膜中孔隙率与三角形单胞尺寸的分布特征，进而实现目标三维细微曲面的逆向设计。以这样的思路，研制出一种透气共形的三维心脏电子器件、一种具有双振动模式的仿生驱动器件和一种仿视网膜三维电子细胞支架。

定制三维细微曲面具有诸多性能等优势，可应用于生物电子学、微型机器人、微纳光学等领域。此次研究者破“次元壁”之举，未来撬动的市场或不可估量。

3《Science Bulletin》｜这些年，青藏高原的湖水多了还是少了？未来会怎样？

青藏高原内流区18个湖泊的水储量估算及未来预估

纳木措、玛旁雍措、普莫雍措……藏语中，“措”指湖泊。青藏高原上，这样的湖泊星罗棋布，它们作为亚洲众多重要河流的发源地，成为“亚洲水塔”的重要组成部分，如同一颗颗晶莹剔透的蓝宝石镶嵌在大地上，滋养一方水土。近年来，在全球变暖引发一系列异常气候的深刻影响下，青藏高原部分地区湖水蒸发量升高，伴随高原冰川加速消融，降水量明显增多，最终导致青藏高原部分湖泊水体扩大。

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)贾炳浩研究员、王龙欢博士、谢正辉研究员，基于重力卫星数据和高分辨率陆面过程模拟，估算了青藏高原内流区18个大型湖泊(大于300 k㎡)2002-2018期间的湖泊水储量变化，并利用机器学习方法预估了未来湖泊水储量的变化。

研究团队认为，18个湖泊的水储量在2002-2018年间以约26.92毫米/年的速度增加；在中等排放情景下(SSP245)下，青藏高原内流区湖泊未来水储量增加趋势将变缓，到21世纪中叶，湖泊水储量的增长速率将下降到过去20年的40%左右。

该研究为青藏高原大范围、长时间湖泊水储量估算提供了新思路，研究结果有助于更好地理解气候变化对高原湖泊水储量的影响，可为气候变化背景下水资源适应性管理提供科学依据。

4《Nature Communications》｜地核不是一坨无聊的铁！它黏稠、Q弹、乱糟糟的，甚至可能引发地震……

内核中地磁场示意图以及随深度变化各向异性构造变化，以及超离子态内核模型与不同深度地震学观测对比

在科幻小说家儒勒·凡尔纳的《地心之旅》一书中，地球内核是空心的。去年，中国科学院地球化学研究所李和平、何宇和孙士川等人组成的团队与北京高压科学研究中心毛河光院士团队发文揭示地球内核并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素（碳、氢、氧）组成的超离子态。

近期，上述团队又同北京高压科学研究中心毛河光院士、Duck Young Kim研究员以及南方科学技术大学林玉峰教授团队合作，让研究走深走实。依托深度势能分子动力学，他们对六方相（hcp）超离子态铁-氢合金进行了深入研究。

通过人工智能驱动的新方法，研究团队实现了外电场下大规模分子动力学模拟，发现了超离子态铁-氢合金可以与地磁场发生相互作用，并在偶极磁场的作用下形成各向异性结构。这就为地核复杂的各向异性和不均一结构成因提供了全新解释。更重要的是，该项研究首次建立起了地球内核结构与地磁场之间的耦合关系，为研究地磁场的运行机制与演化提供了关键线索。

5《Angewandte Chemie International Edition》｜外磁场的“加持”下，自旋催化应用范围再拓展

自旋催化机制促进水氧化中协同的O-H断键和O-O成键

自旋是所有粒子的基本参量，不但电子存在自旋，中子、质子、光子等所有微观粒子都存在自旋，只不过取值不同。近日，自旋催化作为一种新兴催化机制，在各大顶级期刊中频刷存在感。化学反应断键/成键过程与电子自旋平行/反平行排列密切相关，因此，改变催化剂的电子自旋状态，就能影响反应路径甚至是反应产物选择性。

中国科学院化学研究所张闯课题组、盛桦课题组通过合作研究发现，在利用亚铁磁性Fe3O4电催化水氧化时，外磁场（150 mT）可以有效促进水氧化的进行。该研究与以往不同之处在于，它揭示了外磁场对水氧化的自旋增强效应，这个催化过程对酸碱环境的依赖性极高。此外，课题组进一步将自旋催化机制从水氧化反应拓展到CO2还原反应中。

上述研究首次证明了外磁场促进更为普遍的基态单线态分子的断键过程，大大拓展了自旋催化机制的应用范围。