Science Bulletin 2022年21期 | “悟空”号卫星、青藏高原东部隆升、锂电池电解液等16篇

Science Bulletin 2022年第21期

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The cover shows the acceleration of the primary CRs (e.g., carbon and oxygen) at a supernova remnant and the production of the secondaries (e.g., boron) in the interstellar medium during the propagation of the primaries (see the article by DAMPE Collaboration on page 2162).

NEWS & VIEWS

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2139-2141

On the chronology of Tibetan ice cores

侯书贵

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2142-2144

Spatiotemporal variation in precipitation-economy correlations in eastern China over the past 1800 years

中国东部地区过去1800年降水-经济相关性的空间变化

蒋诗威, 周鑫, 丁敏, 涂路遥, 刘轩侨, 罗武宏, 张居中, 沈延安

PERSPECTIVES

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2145-2148

Topological π modes and beyond

拓扑π模: 回顾和展望

朱伟伟, 龚江滨, Raditya Weda Bomantara

拓扑物质态支持鲁棒的拓扑边界态. Majorana模作为拓扑超导体边界态可以用于编译量子比特从而实现拓扑量子计算. 最近, 周期驱动系统中的拓扑态因为其多样性和反常性受到广泛的关注, 而拓扑边界模就是这类非平衡拓扑态的一个重要代表. 本文回顾了拓扑模的研究进展, 拓扑模的动力学性质，以及拓扑π-Majorana模在拓扑量子计算中的应用. 相较于静态系统中的Majorana模，拓扑π-Majorana模在时间维度可以进行操作从而允许在更简单的结构中实现拓扑量子计算. 作为拓扑模的扩展, 本文最后讨论了一种准能量处于分数倍的新型拓扑边界态.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2149-2153

Positioning solid-state sodium batteries in future transportation and energy storage

唐宾, 于欣雨, 郜一蓉, 薄首行, 周震

SHORT COMMUNICATIONS

Physical Sciences

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2154-2157

Cr(VI) detoxification and simultaneous selective recovery of Cr resource from wastewater via photo-chemical extraction using biomass

生物质光化学提取对废水中Cr(VI)解毒和铬资源的选择性回收

姚玲, 沈泽文, 姬濯宇, 胡烨子, 唐铎月, 赵桂霞, 王祥科

本文使用天然生物质(淀粉、甲壳素和壳聚糖), 无需进一步处理, 直接在可见光照射和温和反应条件下(4.0 < pH < 10.0)高效、选择性地提取水体中六价铬(Cr(VI)). 通过光化学还原将Cr(VI)以Cr(IV)和Cr(V)络合物的形式固定并富集在生物质上. 适宜的pH条件可确保将Cr(VI)适度还原为Cr(IV)和Cr(V)络合物, 而不是可溶性Cr(III), 这对于铬的富集至关重要. 对浓度为5~50 ppm的Cr(VI)溶液进行光化学提取后, 溶液中剩余的总铬和Cr(VI)浓度分别低至0.25和0.16 ppm, 符合废水排放标准. 选择性提取的铬可通过煅烧反应后含铬的生物质得到纯的Cr₂O₃. 淀粉对Cr(VI)的高提取能力(240 mg/g)以及从实际镀铬废水中成功回收铬的实验结果表明, 这种成本极低且无二次污染的方法可能适用于同时进行实际含铬废水的处理和铬资源的回收.

Life Sciences

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2158-2161

Trace antibiotics perturb the metabolism of Escherichia coli

痕量抗生素扰动大肠杆菌代谢

冶冬阳, 王成飞, 李晓薇, 赵亮, 刘赛娃, 杜静静, 贾希希, 王智楠, 田璐, 许健, 李静, 严祖浩, 丁江伊, 沈建忠, 夏曦

本研究发现, 大多数抗生素在细菌培养基中经过高压灭菌处理后没有完全降解；使用含有ng/L浓度抗生素的水配制细菌培养基, 可以引起大肠杆菌代谢组和转录组的复杂变化, 并且这些代谢扰动与亚治疗浓度(μg/L)抗生素暴露导致的代谢扰动并不完全一致；进一步研究证明, 痕量抗生素引起的代谢变化能够干扰耐药大肠杆菌代谢组学分析的结果. 以上结果表明, 开展细菌代谢及耐药性机制研究时, 需要关注水中痕量抗生素污染的影响.

ARTICLES

Physical Sciences

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2162-2166

Detection of spectral hardenings in cosmic-ray boron-to-carbon and boron-to-oxygen flux ratios with DAMPE

“悟空”号卫星探测到宇宙线硼/碳和硼/氧流量比例的能谱拐折结构

“悟空”号国际合作组

基于“悟空”号卫星前6年的观测数据, 合作组获得了10 GeV/n~5.6 TeV/n能区宇宙线硼/碳比和硼/氧比的直接测量结果, 发现硼/碳比和硼/氧比随能量的变化在整个观测能区显著偏离单一幂律分布, 两者在相同的能量处(约100 GeV)出现能谱变平的拐折结构. 基于GEANT4强子作用模型给出的结果, 拐折结构的置信度对硼/碳比和硼/氧比分别达到5.6σ和6.9σ；而基于Fluka强子作用模型给出的结果, 该结构的置信度分别达到4.4σ和6.9σ. 该观测结果显著偏离经典星际介质湍流理论给出的预测, 表明传统宇宙线传播模型需要修改, 也意味着基于反物质宇宙线的暗物质间接探测的天体物理背景需要重新估计.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2167-2175

Experimental measurement-device-independent type quantum key distribution with flawed and correlated sources

顾杰, 曹啸宇, 富尧, 何宗武, 阴泽杰, 尹华磊, 陈增兵

本文利用参考技术证明方法发展了四相位测量设备无关量子密钥分发协议, 继承了免疫探测端所有漏洞的特点, 还去除了对源端器件完美假设的要求. 该工作理论定义并实验测量了多个源端不完美的参数. 在10 dB的传输损耗下实现了91 kbps的安全成码率, 满足语音通话等一次一密加密应用. 此外, 协议在20 dB(等效100 km光纤传输)的传输损耗下, 实现了253 bps的安全密钥率. 与其他允许源不完美的量子密钥分发协议相比, 该研究在密钥率和传输损耗方面都有了显著提高, 显示出了其重要的实际应用潜力.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2176-2185

Titanium doped kagome superconductor CsV_3−xTi_xSb₅ and two distinct phases

化学掺杂笼目结构超导体CsV_3−xTi_xSb₅及其两个显著物相

杨海涛, 黄子豪, 张宇航, 赵振, 时金安, 罗海兰, 赵林, 钱国健, 谭恒心, 胡彬, 祝轲, 鲁邹有为, 张华, 孙建平, 程金光, 申承民, 林晓, 颜炳海, 周兴江, 汪自强,Stephen J. Pennycook, 陈辉, 董晓莉, 周武, 高鸿钧

本文成功制备出钛(Ti)化学掺杂的CsV₃Sb₅单晶, 其中Ti原子直接取代kagome层中的部分V原子. CsV_3−xTi_xSb₅展现出2个显著不同的物相: 少取代相展示出一个非常规V形的超导能隙, 同时与减弱的长程CDW、PDW、AHE和相列序共存；多取代相则为常规U形的超导能隙并与短程CDW共存, 同时长程CDW、AHE、PDW和具有二重对称性的面内磁电阻均消失. 除Ti元素外, 作者还成功制备了Cr和Nb掺杂的CsV₃Sb₅单晶. 该研究成果开辟了制备化学掺杂笼目超导体的新方法以及研究不同电子关联态和超导配对精确调控的新平台.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2186-2195

Dynamic metal patterns of wrinkles based on photosensitive layers

基于光敏中间层构筑动态金属褶皱

陈帅, 胡开明, 严淑珍, 马天骄, 邓心陆, 张文明, 印杰, 姜学松

本文通过引入动态光敏性中间层聚合物, 实现了金属材料微结构的动态调节. 在不同温度的热诱发应变条件下, 由于中间层从硬表层过渡到软基底, 多层体系会自发出现不同模式下的失稳起皱. 此外, 凭借光对中间层聚合物模量分布的可调节性, 金属表面可以自发形成有序性褶皱结构. 动态化学能够帮助重构金属微结构, 而近红外光可以以物理方式擦除褶皱, 用以制备智能“魔镜”. 这种普适性策略为今后调控功能性材料的微纳结构提供了重要的平台, 以实现特殊的功能及应用, 同时对于理解并利用多层体系的失稳现象大有裨益.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2196-2207

High-strength super-hydrophobic double-layered PBO nanofiber-polytetrafluoroethylene nanocomposite paper for high-performance wave-transparent applications

唐林, 唐玉生, 张军亮, 林予涵, 孔杰, 周琨, 顾军渭

本文通过引入铁离子在PNF间构建金属配位键, 并采用溶胶-凝胶薄膜转化法制备高强度聚对苯撑苯并二噁唑纳米透波复合纸, 再将聚四氟乙烯(PTFE)颗粒喷涂到表面, 经热处理得到双层结构的PTFE-P/PNF纳米透波复合纸. 基于金属配位键的作用以及PTFE颗粒的引入, PTFE-P/PNF纳米透波复合纸具有卓越的拉伸强度(271.6 MPa)、优异的超疏水(与水的接触角为151^o)和自清洁性能. 此时, PTFE-P/PNF纳米透波复合具有出色的透波性能, 当电磁波从透波复合纸两侧入射时, 其透波率均>95%. 这种兼具高强度、超疏水和自清洁的透波复合纸在雷达天线罩、电磁窗等领域有着巨大的应用潜能.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2208-2215

Robust carbon nanotube-interwoven KFeSO₄F microspheres as reliable potassium cathodes

廖家英, 胡乔, 杜忆忱, 李建波, 段丽平, 包建春, 周小四

本文选取一种具有三维开放式结构的KFeSO₄F(KFSF)材料作为研究对象, 针对该材料的热稳定性和电子导电性差的缺陷, 采用溶剂热方法在较低温度下合成了不同形貌的KFSF正极, 并通过对溶剂的筛选(以二甘醇为溶剂), 获得了碳纳米管原位穿插的KFSF微球. 二甘醇中醚基的强结合能降低了KFSF的成核和生长速率, 使其能原位生长在碳纳米管上并交织组装成KFSF微球, 改善了KFSF的电子导电性. 该复合物在钾离子半电池和全电池中均表现出出色的性能, 透射电子显微镜与理论计算等分析结果表明, 该正极良好的电化学性能源于大量暴露的(100)晶面和碳纳米管在KFSF 微球内的均匀互穿.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2216-2224

Maximizing the ion accessibility and high mechanical strength in nanoscale ion channel MXene electrodes for high-capacity zinc-ion energy storage

包含高通过率纳米级离子通道和高机械强度的MXene电极用于高容量锌离子储能

程永发, 谢艺梅, 严淑文, 刘尊宇, 马亚楠, 岳阳, 王建波, 高义华, 李露颖

本文通过化学氧化方法将大尺寸MXene刻蚀成具有纳米级离子通道的MXene纳米片, 制得的MXene电极在保留了大尺寸MXene纳米片优异机械强度和导电性的同时, 可以有效缩短离子传输距离, 提高整体电化学活性. 在此基础上制造的自愈式MXene基锌离子微型电容器在2 mA cm^–2的电流密度下, 表现出高面积比电容(532.8 mF cm^–2)和低自放电率(4.4 mV h^–1), 在2800 μW cm^–2的功率密度下, 能量密度高达145.1 μWh cm^–2. 纳米级离子通道结构为构建高性能电化学储能电极提供了一种新策略, 在电化学储能和柔性电子领域具有广阔的应用前景.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2225-2234

Tailoring electrolyte enables high-voltage Ni-rich NCM cathode against aggressive cathode chemistries for Li-ion batteries

程方圆, 张晓宇, 魏鹏, 孙世雄, 徐月, 李箐, 方淳, 韩建涛, 黄云辉

本文在商业电解液(1 mol L^–1 LiPF₆/EC:DEC=1:1, 体积比)基础上, 加入双添加剂二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)和三甲基硅基磷酸酯(TMSP), 一方面形成富含F, B, Si等元素的无机组分界面膜增加高电压下界面稳定性; 另一方面, TMSP中的Si–O键具有清除电解液中高腐蚀性HF的作用, 以此增加电解液的稳定性. 在成膜和除HF的双重作用下, 抑制了4.5/4.7 V高截止电压下的界面反应、过渡金属溶出、表面相变及产气. 组装的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/Li电池在4.5 V下具有800圈的循环寿命, 在4.7 V下具有500圈的循环寿命。.

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2235-2244

Solvating power regulation enabled low concentration electrolyte for lithium batteries

彭琳珊, 巫湘坤, 贾梦敏, 钱伟伟, 张晓妍, 周娜, 张兰, 菅翠营, 张锁江

本文采用氟代碳酸乙烯酯(FEC)和1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(D2)制备了盐浓度仅为0.25 mol L⁻¹的LCE. 分子动力学模拟和实验证明, 溶剂化能较低的FEC不仅降低了Li⁺的去溶剂化能、改善了电池动力学, 而且促进了富含LiF的SEI的形成、抑制了电解液的消耗. 使用LCE的Li||Cu电池库仑效率高达99.20%, LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂||Li电池在200个循环中也表现出89.93%的容量保留率, 这表明溶剂化能调控在LCEs发展中有巨大潜力.

Earth Sciences

Sci. Bull., 2022, 67(21): 2245-2258

A distinctive Eocene Asian monsoon and modern biodiversity resulted from the rise of eastern Tibet

从沙漠到香格里拉

何松林, 丁林, 熊中玉, Robert A. Spicer, Alex Farnsworth, Paul J. Valdes, 王超, 蔡福龙, 王厚起, 孙永, 曾登, 谢静, 岳雅慧, 赵晨圆, 宋培平, 吴晨

青藏高原东部的隆升、亚洲季风系统的发展和全球重要生物多样性热点的形成紧密相关, 对此我们目前知之甚少. 结合区域资料, 利用藏东稻城热鲁盆地的沉积地层、火山岩U-Pb年龄、古土壤钙质结核团簇同位素古温度和植物化石湿焓定量重建了藏东50～34 Ma期间从低海拔(0.6 km)沙漠到接近现代海拔(3.5 km)高山森林的详细隆升历史. 综合植物化石CLAMP、动物化石牙釉质氧同位素和古气候模拟结果, 揭示藏东的隆升推动了热带辐合带季风向北渗透, 形成了最初的与现今季风系统截然不同的始新世亚洲季风, 它具有双峰降水特征和特别潮湿的冬季. 此外, 热鲁盆地丰富的动植物化石组成表明横断山特殊的生物多样性在45～40 Ma已经建立, 比普遍接受的现代亚洲生物多样性是中新世才出现的结论大大提前. 藏东始新世以来的崛起与特色亚洲季风系统协同演化产生了复杂的高度波动的生态位, 奠定了现代亚洲生物多样性基础.

END