【科创热榜前沿科技周报】-104期转贴

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前沿科技盘点〔104〕丨首创全前向智能光计算训练架构，人工智能大模型实现光训练的新路径；用电池隔膜精准驾驭离子，锂电迎来性能飞跃 原文链接：https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/ztbd/kcrbqykjzb/202408/t20240812_174986.html

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人工智能大模型的迅猛发展与广泛应用，使得算力成为重大的战略抓手与基础设施。长期以来电子芯片的算力增长支撑着AI模型规模的不断发展，然而其高能耗亦带来了前所未有的能源挑战，以光为计算媒介，以光的可控传播构建计算模型，光计算以其高算力低能耗特性打开了智能计算的新赛道，在后摩尔时代展现出巨大的潜力。

在众多锂电池阳极材料中，锂金属阳极因其具有最高的理论比容量和低电化学电位而受到关注。中国科学院近代物理研究所科研人员与先进能源科学与技术广东省实验室相关团队合作，研制出一种能有效“管理”离子分布和传输特性的电池隔膜，解决了锂金属阳极锂枝晶生长、体积膨胀等问题。

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104期。

1《Nature》丨首创全前向智能光计算训练架构，人工智能大模型实现光训练的新路径

清华大学电子工程系方璐教授课题组和自动化系戴琼海院士课题组日前实现了光计算系统大规模神经网络的高效精准训练。该研究成果以“光神经网络全前向训练”为题，于北京时间8月7日晚在线发表于《自然》期刊。

人工智能大模型的迅猛发展与广泛应用，使得算力成为重大的战略抓手与基础设施。长期以来电子芯片的算力增长支撑着AI模型规模的不断发展，然而其高能耗亦带来了前所未有的能源挑战，新兴计算范式的建立与发展迫在眉睫。以光为计算媒介，以光的可控传播构建计算模型，光计算以其高算力低能耗特性打开了智能计算的新赛道，在后摩尔时代展现出巨大的潜力。

训练和推理是AI大模型核心能力的两大基石，缺一不可。相较于推理而言，模型训练对算力更为急需，然而电训练架构要求前向-反向传播模型高度匹配，这对光计算物理系统的精准对齐提出了苛刻的要求，致使梯度计算难、离线建模慢、映射误差大，极大地禁锢了光训练的规模与效率。

清华大学电子工程系方璐教授课题组、自动化系戴琼海教授课题组构建了光子传播对称性模型，摒弃了电训练反向传播范式，首创了全前向智能光计算训练架构，研制了通用光训练芯片“太极-II”，摆脱了对离线训练的依赖，支撑智能系统的高效精准光训练。“太极-II”的面世，填补了智能光计算在大规模训练这一核心拼图的空白。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07687-4

2《Advanced Energy Materials》丨用电池隔膜精准驾驭离子，锂电迎来性能飞跃

离子管理膜和传统多孔隔膜的离子传输特性和阳极表面锂沉积行为示意图

在众多锂电池阳极材料中，锂金属阳极因其具有最高的理论比容量和低电化学电位而受到关注。然而，在长期循环过程中，锂金属阳极锂枝晶生长以及体积膨胀会造成电池性能下降并带来严重的安全问题，阻碍其进一步商业化应用。而均匀的锂离子分布可实现锂金属阳极表面锂均匀沉积并抑制锂枝晶生长。作为不可或缺的锂电池组件——隔膜，不仅具有隔离电池正负极的功能，还可以有效调控锂离子分布和传输特性。因此，寻找兼具锂离子“分配”“筛分”和“加速”功能的多功能隔膜对于开发高性能锂金属电池具有重要意义。

中国科学院近代物理研究所科研人员与先进能源科学与技术广东省实验室相关团队合作，基于兰州重离子研究装置，利用离子径迹技术和表面化学修饰工艺研制出一种能有效“管理”离子分布和传输特性的电池隔膜——离子管理膜。该离子管理膜具有垂直排列、直径均一、荷负电性的纳米通道，可作为离子分配器和“锂离子导向器”，减小锂离子浓度波动并实现锂离子选择性传输。

该离子管理膜凭借独特的结构和化学特性，具有较高的离子电导率和优异的锂离子转移数，同时将锂金属阳极表面锂离子浓度波动降至最低，使用该隔膜表现出优异的抑制锂枝晶的性能。锂/锂电池应用该隔膜后，在1毫安每平方厘米条件下，可稳定循环1200小时，超过传统商业隔膜2倍多；对于锂/磷酸铁锂电池，该工艺可使比容量达到146毫安时每克，并在1000次循环后保持79.84%的容量，显著高于传统多孔隔膜，即现有商业隔膜的水平。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202401377

3《PNAS》丨不确定性如何重塑演化博弈的进程？

适应性风险偏好可以产生周期震荡

演化博弈论是一种多学科融合的理论，它整合了理性经济学与演化生物学的思想，通过动态演化的视角研究群体中的相互作用和策略选择。

北京大学王龙课题组和上海交通大学苏奇、美国宾夕法尼亚大学Plotkin合作，建立鲁棒博弈动力学研究的理论框架和分析综合方法。他们将期望效用理论与演化博弈论相结合，提出了系统具有不确定性和个体风险响应的博弈动力学模型和研究方法。

研究者发现，在群体风险偏好固定的情况下，不确定性可以定性地改变系统的动力学行为。通过研究策略和风险偏好的共演化动力学，发现在囚徒困境中，合作者比例和风险厌恶者比例会出现持续性周期震荡（稳定的极限环）。他们给出了囚徒困境下极限环存在的数学条件，还分析了其他类型博弈中的震荡现象，发现系统可能同时在多个区域出现震荡现象。

这项研究表明，不确定性以及个体对不不确定性的应对方式对于系统的演化动力学具有重要影响，可以产生（相比于确定性情形）复杂得多的动力学行为。这对于群体行为的复杂性与调控、多智能体的交互学习与合作、群体智能的涌现都具有重要意义。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2406993121

4《Advanced Materials》丨无原子缺陷的纳米焊接，纳米级“天衣无缝” 

SnSe纳米片与石墨烯之间沿armchair方向的晶格匹配条件，使得SnSe在沿a1与a2两个晶向运动时受到的摩擦力具有很强的各向异性。

随着现代微纳电子学器件尺寸的不断缩小，在纳米尺度上高精度地制造各种微观结构的技术得到了长足发展。实验室技术总体分为“自上而下”与“自下而上”两类，其中“自上而下”技术的典型代表是电子束光刻（EBL），其精确度能达到10纳米量级，但难以应对更高精度的制造需求，并且刻蚀过程对材料可能引入损伤；“自下而上”的技术则包括近十年来发展的“纳米焊接”。这是一种利用机械微动设备将多个纳米级部件（量子点、纳米线、纳米片等）拼接在一起，并通过加热、激光辐照、加压等方法使部件接缝处成键的技术，可以将这些部件像“搭积木”一样按需组装成各种结构。早期的纳米焊接技术多是针对金属材料，如贵金属纳米线等，这些材料中的金属键方向性弱，在各种退火手段下较容易实现界面弛豫，可以获得缺陷较少的界面。然而，半导体材料中的离子键或共价键方向性很强，只要界面两侧的晶体有一定的旋转角度，界面上就会出现大量缺陷，从而严重影响焊接后结构的机械和电学性能，特别是对二维半导体之间的焊接而言，晶体对准就成了最大的难题之一。

近日，北京量子信息科学研究院低维量子材料团队常凯研究员与德国马克斯普朗克微结构物理研究所、美国阿肯色大学合作，通过扫描隧道显微镜探针操作和原位退火方法，利用石墨烯表面的各向异性摩擦力实现了二维半导体SnSe纳米片的严格定向移动和晶格对准，从而演示了SnSe纳米片间无原子缺陷的焊接。

据介绍，该方法还能方便地推广到更多二维材料的纳米焊接中，也适用于一维、零维材料的操作。由于扫描隧道显微镜探针的横向移动精度可达亚原子级，原则上纳米焊接技术可实现的器件特征尺寸能够大大突破当前微纳加工极限，对于未来制备各种接近原子极限尺度的微纳电子学器件、固态量子比特等应用具有重要潜力。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202312199

5《Microchemical Journal》丨用小分子撬动大健康产业

肽段AWGY分子对接三维图

生物活性肽是对生物机体的生命活动有益或是具有生理作用的小分子氨基酸片段，其相对分子质量一般小于6000Da。近年来生物活性肽逐渐成为大健康产业发展不可或缺的原料，广泛应用于保健食品、功能食品等领域。近日，新疆农业大学马生军团队以生物活性肽为切入点，挖掘中草药植物的功能价值，有效助力生物活性肽产品研发。 

多花黄精是一种药食同源的多年生草本植物，具有治疗呼吸道疾病、调节免疫、增强肝脏健康的作用。研究团队采用数据库搜索和从头测序法相结合的策略，从多花黄精中共鉴定出2571条生物活性肽和2122条粗蛋白肽。通过比较粗蛋白肽与生物活性肽整体物理性质差异，并预测其抗氧化潜力，其研究为进一步优化制备抗氧化肽提供了理论支撑。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.microc.2024.110872

6《Nature Communications》丨人工模拟酶应用于生物燃料电池，带来意想不到的突破

Ni-DAB模拟天然尿酸氧化酶催化机理图

酶作为生物催化剂，促进体内生化反应，其高特异性与活性在多个领域展现价值，但提纯难、储存条件严苛且易失活。为解决这些问题，人工模拟酶特别是单原子纳米酶应运而生，凭借其结构明确、高效稳定而备受瞩目，被视为天然酶的潜在替代。然而，单原子纳米酶因缺乏底物特异性识别单元及单一金属位点，催化特异性受限。

而辅酶非依赖性氧化酶，如尿酸氧化酶（UOX），则能通过双位点机制高特异性催化尿酸氧化，这就启发了科学家的创新思路。东南大学化学化工学院、江苏省富碳材料器件工程研究中心张袁健课题组引入竞争性非金属位点于单原子纳米酶，合成金属-配体双位点类尿酸氧化酶（Ni-DAB），实现了对尿酸的高特异性催化，同时抑制对其他底物的活性。

研究团队将这项成果应用于尿酸生物燃料电池，利用Ni-DAB的高特异性避免了副反应，提升了电池效率，借助人体液即可发电，因而具备了植入医疗设备供电、野外紧急呼叫、空间站应用等潜力。其研究不仅展示了提高纳米酶特异性的新方法，还预示了人工模拟酶在多个领域的广阔应用前景。（专栏作者 李潇潇）

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50123-4