Science Bulletin 2023年第5期

Science Bulletin

2023年第5期

This cover image depicts a time-varying polarized light field that visualizes a laser-matter interaction dynamic scene induced by an ultrafast laser pulse, and makes a microscopic movie out of the ultrafast scene (see the Short Communication by Pengpeng Ding et al. on page 473).

Physical Sciences

Single-shot polarization-resolved ultrafast mapping photography

单曝光偏振映射超快成像

丁鹏鹏, 齐大龙, 姚云华, 何一林, 姚佳丽, 金诚挚, 郭姿含, 邓联忠, 孙真荣, 张诗按

单曝光超快光学成像可以捕捉发生在纳秒时间尺度内的瞬态场景, 尤其是对于泵浦探测技术无能为力的不可逆或难以重复的场景更具优势. 为了打破传统CCD或CMOS相机的数据读出速度限制, 单曝光超快成像技术通常将时间信息转换到波长、空间或空间频域等来进行超快探测. 本文作者开发了一种新型时间-偏振映射的超快成像技术(PUMP), 首先利用石英旋光晶体产生具有时变偏振角的超短激光脉冲照明动态场景, 然后通过偏振滤波阵列对不同时刻信息进行快照曝光, 最后结合迭代去卷积算法, 实现了将时域信息转换到偏振维度的超快成像. 此外, 作者利用该新型超快成像系统实时观测了氧化铟锡薄膜的超快激光烧蚀动力学过程, 验证了其在超快探测中的出色性能. 该技术的发展有望进一步推动超快光学成像在基础和应用科学研究领域的应用.

Science Bulletin, 2023, 68(5): 473-476

NEWS & VIEWS

A glimpse into a new era of nanozyme-driven whole-agrofood safety

李跃春, 黄伦杰, 杜婷, 石珑华, 刘思杰, 孙菁, 张道宏, 王建龙

Science Bulletin, 2023, 68(5): 441-443

China Brain Project: from bench to bedside

中国脑计划: 从基础到临床

刘晓星, 高腾, 陆唐胜, 鲍彦平, Gunter Schumann, 陆林

Science Bulletin, 2023, 68(5): 444-447

Artificial intelligence for clinical oncology: current status and future outlook

江玉明, 李瑞江, 李国新

Science Bulletin, 2023, 68(5): 448-451

The first Chinese automatic weather station on the Greenland ice sheet

中国首个格陵兰冰盖自动气象站

陈卓奇, 郑雷, 张宝钢, 赵天成, Karl B. Zinglersen, 丁明虎, 张文千, 惠凤鸣, 程晓

Science Bulletin, 2023, 68(5): 452-455

Ice tongue calving in Antarctica triggered by the Hunga Tonga volcanic tsunami, January 2022

2022年1月汤加火山海啸引发南极冰舌前缘崩解

梁琦, 李腾, Ian Howat, 肖万鑫, 惠凤鸣, 陈卓奇, 郑雷, 程晓

Science Bulletin, 2023, 68(5): 456-459

RESEARCH HIGHLIGHTS

Isolated Cu(I) sites with delocalized electron state promote selective CO₂ lectrolysis to methanol

具有离域电子态的孤立Cu(I)位点促进CO₂电解选择性制备甲醇

汪国雄

Science Bulletin, 2023, 68(5): 460-461

Two birds with one stone: asymmetric construction of vicinal C(sp³) centres by nickel-catalyzed hydroalkylation of alkenes

一石二鸟: 镍催化烯烃不对称氢烷基化构建相邻sp³碳立体中心

廖港, 史炳锋

Science Bulletin, 2023, 68(5): 462-464

PERSPECTIVES

The next decade of single-atom materials

周煌, 吴宇恩

Science Bulletin, 2023, 68(5): 465-468

Long-afterglow hybrid halide perovskites

长余辉杂化钙钛矿
周博, 闫东鹏

Science Bulletin, 2023, 68(5): 469-472

SHORT COMMUNICATIONS

Physical Sciences

Distinguishing the contributions of hot holes from interband and intraband transitions to the photoenhanced electrocatalytic oxidation reaction of ethanol

解析带间和带内跃迁激发热空穴对光增强电催化乙醇氧化的贡献

迟晨, 倪淼, 丁新雷, 杨冬蕊, 李剑, 夏兴华

等离激元共振产生的高能热载流子可以降低反应能垒, 加速特定的电化学反应. 然而, 绝大多数研究聚焦于热电子的高效利用, 对于热空穴, 特别是带间激发的热空穴在光增强电氧化反应(PEEO)中的作用尚缺乏研究. 本文以金纳米三角结构作为电催化剂, 解析了带间和带内跃迁激发的热空穴对电催化乙醇氧化反应的贡献. 研究发现, 尽管带内跃迁的消光截面是带间跃迁的5倍, 但由于d带热空穴具有更高的氧化电势, 带间激发对电催化乙醇氧化反应过程具有更高的催化活性, 展示出更高的电流密度和更低的起峰电势. 根据光照前后电化学反应活化能和起峰电位, 进一步建立了估算PEEO中热空穴贡献的方法. 定量分析结果表明, 带间激发热空穴的相对光电化学转换效率比带内激发高12倍, 证明d带热空穴在PEEO中具有更高的反应活性. 本工作不仅揭示了PEEO中热空穴的详细作用机制, 且对于高效设计等离激元共振电催化剂有重要意义.

Science Bulletin, 2023, 68(5): 477-480

Earth and Environmental Sciences

China’s Black Soil Granary is increasingly facing extreme hydrological drought threats

我国黑土粮仓正面临极端水文干旱加剧的威胁

刘孟竹, 郭英, 张晓龙, 沈彦军, 张玉翠, 裴宏伟, 闵雷雷, 王仕琴, 沈彦俊

黑土粮仓是中国粮食安全的“压舱石”. 近几十年频现的水文干旱对黑土粮仓粮食生产和生态安全造成了极大影响, 然而目前该区水文干旱的变化机制仍未被很好地揭示. 本研究使用GRACE卫星数据并结合3种机器学习模型, 重建了黑土粮仓(主要研究区为松花江流域)近60年(1960~2020年)的水储量变化并揭示了水文干旱规律. 结果显示, 尽管观测期内(2002~2020年)水储量在增加(+4 mm/a), 但平均水储量仍低于重建时期(1960~2002年)水平. 近20年的水文干旱相比于历史时期愈加频繁和极端, 最近10年的多雨期甚至也出现了以往少雨期才有的异常水文干旱事件. 随着下一个少雨期的到来, 未来的极端水文干旱将会进一步加剧, 这给当地的农业和生态安全带来了极大威胁. 我们呼吁相关管理者重视该地区极端水文干旱事件频发并加剧的现象, 及时制定应对预案来保障我国黑土粮仓的生态与粮食安全.

Science Bulletin, 2023, 68(5): 481-484

Rapid expansion of wetlands on the Central Tibetan Plateau by global warming and El Niño

全球变暖和厄尔尼诺导致青藏高原中部湿地迅速扩张

李洋, 侯正阳, 张立强, 宋长青, 朴世龙, 林金泰, 彭书时, 方克艳, 杨静, 渠瀛, 王跃宾, 李景文, 李柔静, 姚昕

阐明青藏高原湿地的时空变化规律和驱动因素, 对理解青藏高原湿地对气候变化的响应及保护其生态系统和生物多样性至关重要. 由于湿地边界的不确定性、遥感数据光谱和纹理特征的复杂性, 湿地的智能识别监测面临许多技术挑战. 本研究提出了一种面向遥感场景分类的深度学习框架, 实现了基于Landsat遥感图像的青藏高原湿地智能提取. 结果表明, 近30年(1990~2019年)青藏高原湿地面积增加了31.2%, 其中青藏高原中部, 即羌塘高原、柴达木盆地和三江源地区的湿地面积增长最明显. 气温升高引起的多年冻土融化是该地区湿地面积增长的主要驱动力. 因厄尔尼诺而导致的气温和降水异常进一步加剧了湿地面积的增长.

Science Bulletin, 2023, 68(5): 485-488

Increasing lake water storage on the Inner Tibetan Plateau under climate change

气候变化背景下青藏高原内流区湖泊水储量或将持续增加

贾炳浩, 王龙欢, 谢正辉

青藏高原内流区湖泊广布, 是气候变化的敏感指示器. 准确估算青藏高原的湖泊水储量变化对研究湖泊生态系统和水资源变化至关重要. 然而青藏高原高寒缺氧、地形条件复杂, 限制了该地区对湖泊水储量的长期实地观测. 基于重力卫星数据和高分辨率陆面过程模拟, 本研究估算了青藏高原内流区18个大型湖泊（大于300 km²）2002~2018期间的湖泊水储量变化, 并利用机器学习模型预估了未来湖泊水储量的变化. 结果表明, 18个湖泊的水储量在2002~2018年间以约26.92 mm/a的速度增加；在中等排放情景下(SSP245), 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. 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, 为气候变化背景下水资源适应性管理提供科学支撑.

Science Bulletin, 2023, 68(5): 489-493

ARTICLES

Physical Sciences

A quantum algorithm for heat conduction with symmetrization

一种基于对称化热传导系统的量子算法
魏世杰, 魏超, 吕鹏, 邵长鹏, 高攀, 周增荣, 李可仁, 辛涛, 龙桂鲁

由非平衡驱动的热传导通过物理接触传递内部的热能. 描述热传导的数学方程是一个典型的偏微分方程. 它广泛存在于各种工程问题中, 例如粒子扩散、航天器设计和稀释制冷机运行. 本文提出了一种显著优于经典算法的热传导量子算法, 并在量子硬件上演示了热传导过程. 作者通过一个辅助量子比特构造的对称系统来表示原始热传导系统, 使得量子线路的复杂度减少到离散格点数量的对数多项式量级. 与现有的基于Harrow-Hassidim-Lloyd的线性方程算法相比, 本文的方法直接演化线性过程, 不进行相位估计, 避免相位估计涉及复杂的量子门操作和较大的输出误差, 便于在目前的量子硬件实现, 显示了该算法是实验友好特性. 并且, 作者在核自旋量子处理器上实现了两端恒温和绝热条件的一维热传导过程, 温度的时空分布与理论预言很好的吻合. 该算法可以自然地应用于可归约为热方程的物理过程.

Science Bulletin, 2023, 68(5): 494-502

Atomic coordination structural dynamic evolution of single-atom Mo catalyst for promoting H₂ activation in slurry phase hydrocracking

孙广洵, 刘东源, 李敏, 陶舒, 管泽坤, 陈彦飞, 刘士欢, 杜青洲, 国含, 苑馨月, 张心颖, 朱后禹, 刘宾, 潘原

开发具有高原子利用率和高转化频率的高效催化剂, 用于减压渣油浆态床加氢裂化过程中H₂分子的活化至关重要. 本文采用“聚合-热解-原位硫化”策略, 首次报道了一种高效稳定的单原子钼催化剂用于减压渣油浆态床加氢裂化反应, 并发现了单原子Mo活性位点的原子配位结构动态演化机制. 在VR加氢裂化过程中, 与Mo配位的O原子逐渐被S原子取代, 从而导致O/S交换过程. 单原子钼的配位结构从反应前的Mo-O₃S₁演变为反应后的Mo-O₁S₃配位构型, 有效促进了H₂分子均裂活化为H自由基物种. 所演变的单原子钼催化剂表现出优异的催化加氢活性和循环稳定性, 其对减压渣油的单程转化率为65 wt%, 轻油收率为93 wt%, 焦炭产率仅为0.63 wt%, 按照所有金属计算的转化频率为0.35 s⁻¹. 理论计算表明, H₂相互作用前后Mo 4d占据态的显著变化与单原子钼催化剂结构的动态演变有直接关系, 并且Mo-O₁S₃位点较低的d带中心表明原子H扩散容易, 有利于催化加氢. 本文研究结果对于开发高原子经济性催化剂用于重油改质技术的工业应用具有重要意义.

Science Bulletin, 2023, 68(5): 503-515

Boosting the performance and durability of heterogeneous electrodes for solid oxide electrochemical cells utilizing a data-driven powder-to-power framework

应用于固体氧化物电池异质电极性能和耐久度提升的数据驱动P2PF框架

汪洋, 武承如, 赵思原, 郭曾嘉, 韩敏芳, 赵天寿, 祖炳锋, 杜青, 倪萌, 焦魁

固体氧化物电池将在未来可再生能源储存转换系统中占据重要位置. 但SOCs受制于低耐久度的影响, 目前仍需在新材料开发和工程设计方面取得进一步的突破以实现商业化. 这项研究报道了一个数据驱动的粉体-能量框架（Powder-to-power framework, P2PF）, 通过实现从制备到长时运行的异质电极形貌演化数字化, 实现了对于整个生命周期的性能预测. 首先通过参数分析阐明了微结构参数对于燃料电极长期性能的内在影响机制, 发现合理控制离子导电相的体积分数不仅可以有效抑制镍粗化, 还是减少镍迁移引起的欧姆损失增加的关键. 电极初始性能和性能衰减率是多参数耦合作用的结果. 所构建代理模型被应用于多目标遗传算法以提出简单可行的耐久度优化策略. 数据驱动的粉体-能量框架确定了满足不同最大运行时长要求的最佳电极制备参数, 并将镍基电极的降解率从基本工况下2.132% kh⁻¹降低到0.703% kh⁻¹ (最大运行时长大于50000 h).

Science Bulletin, 2023, 68(5): 516-527

Earth and Environmental Sciences

Subseasonal variability and the ‘‘Arctic warming-Eurasia cooling” trend

次季节变率和“北极增暖-欧亚变冷”的趋势

尹志聪, 张艺佳, 周波涛, 王会军

“北极增暖-欧亚变冷”的趋势显著影响了中低纬度地区的天气形态以及极端气候变化. 然而, 从2012年至2021年冬季, 这一趋势显著减弱. 与此同时, “暖北极-冷欧亚”(WACE)与其相反位相“冷北极-暖欧亚”(CAWE)模态之间的次季节位相转换频率显著增加, 并且WACE/CAWE的次季节强度与1996~2011年可比. 长期的再分析数据以及CMIP6模拟数据均支持频繁的WACE/CAWE次季节反转与“北极增暖-欧亚变冷”趋势减弱同时发生. 前期热带大西洋海温和印度洋海温异常分别对前冬和后冬的WACE/CAWE有显著且主要的影响, 并在CAM5和AMIP的数值实验中得到有效验证. 两个海温的协同作用有效地调节了WACE和CAWE之间的次季节相位转换, 正如2020和2021年冬季所发生的那样. 本研究结果表明中低纬度地区极端气候预测中同样需要考虑次季节变率.

Science Bulletin, 2023, 68(5): 528-535