一周前沿科技盘点㊼丨光学魔角是啥？为何“转角才能遇到光”？从足球获得灵感，只不过这个“守门员”守住的是二氧化碳

北京国际科技创新中心 2023-08-25

收录于合集 #一周前沿科技盘点 54个

伴随全球集成电路产业发展步入“后摩尔时代”，电子芯片的发展趋近物理极限。面对算力如何持续提升这一挑战，光子芯片就成了一个解决方案。这就不得不提到一个新兴交叉学科——纳米光子学。纳米光子学中，利用高光场局域极化激元波实现光学通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向。近期，国内外纳米光子学家通力合作，实现了“转角遇到光”。与传统工业分离、提纯技术相比，膜分离往往更为高效。纳米孔分子筛膜是应用前景广阔的重要分离膜类型，可实现分子识别与筛分。然而，高温条件下，纳米孔热膨胀、非均匀分子扩散热活化等因素会降低分子筛膜本征筛分精度，绝大多数分子筛膜的分离选择性会大幅衰减。对此，科学家一起“开脑洞”，他们从足球守门员身上获得灵感，提出了“热驱动分子守门员”理论，给分子筛膜设计打开了新视野。

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，为大家带来第四十七期。

《Nature Materials》丨光学魔角是啥？为何“转角才能遇到光”？

三层转角氧化钼晶体中的多重光学魔角和极化激元无衍射传播面内全角度调控

伴随全球集成电路产业发展步入“后摩尔时代”，电子芯片的发展趋近物理极限。面对算力如何持续提升这一挑战，光子芯片就成了一个解决方案。这就不得不提到一个新兴交叉学科——纳米光子学。这个学科致力于研究光与物质在纳米尺度的相互作用，研发新材料、新工具，拓展基础光学物理，制造超紧凑、高集成、多功能的光学系统，助力实现以高端制造和基于片上信息处理的光计算、传感、成像等。

纳米光子学中，利用高光场局域极化激元波实现光学通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向。日前，北京理工大学物理学院姚裕贵教授团队成员段嘉华教授与西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso Gonzalez教授、西班牙国际物理研究中心Alexey Yu Nikitin教授合作，在转角光子学中多重光学魔角实验验证和中红外纳米光场调控方面取得重要进展。

“转角光子学”指当两层各向异性二维材料之间转角为某一固定值（光学魔角）时，极化激元波所有波矢分量对应的波印廷矢量均指向同一方向，即光场能量沿着特定方向低损耗且无衍射传播，是红外光的天然纳米波导。

然而问题来了，同一个双层转角器件只在某一特定频率下存在一个光学魔角，即针对单一频率光子的天然波导。与此同时，光学魔角下光场能量沿某一固定方向传播，传统的调控技术无法实现纳米光场无衍射传播的调控。

对此，研究人员在三层转角氧化钼晶体中发现多重光学魔角，通过转角重构实现了纳米光场无衍射传播方向的面内全角度调控（0-360°），且覆盖宽光谱频率。

《Science Advances》丨从足球获得灵感，只不过这个“守门员”守住的是二氧化碳

与传统工业分离、提纯技术相比，膜分离往往更为高效。此外，它还能实现连续分离，具有能耗低、条件温和、操作简单和选择性好等优点。纳米孔分子筛膜是应用前景广阔的重要分离膜类型，可实现分子识别与筛分。众所周知，高温分离对化学工业至关重要。然而，在高温下，纳米孔热膨胀、非均匀分子扩散热活化等因素会降低分子筛膜本征筛分精度，绝大多数分子筛膜的分离选择性会大幅衰减。

近日，中国科学院大连化学物理研究所无机膜与催化新材料研究组（504组）杨维慎研究员、班宇杰副研究员团队与中山大学陈小明院士团队合作，一起“开脑洞”。他们从足球守门员身上获得灵感，提出“热驱动分子守门员”新概念，通过气—固热反应过程，一步诱导金属—有机框架前驱体发生配体交换、转晶、原配体分子离体与孔内均匀封装。

他们开展了系统的结构精修和理论计算，结合原位实验研究，证实该残骸分子如同膜材料“孔口守门员”，被高温“激活”，随温度发生显著迁移，动态重塑膜材料筛分孔窗，实现CO2精确截留，解决CO2高温活化扩散导致的分离精度降低问题，H2/CO2分离选择性在近工况温度下提高一个数量级。该分离新概念拓展了分子筛膜分离应用的温度窗口，对分子筛膜设计具有重要意义。

《Cell》丨原因查明！病原体原来靠它“趁火打劫”农作物

效应蛋白挟持宿主PP2A核心酶示意图

疫霉的感染是全球植物健康和粮食安全的主要威胁。近日，中国科学院生物物理研究所王艳丽研究团队与英国塞恩斯伯里实验室马文勃研究团队首次发现在疫霉属病原微生物中，普遍存在一类WY1-(LWY)n效应子蛋白, 通过保守的PP2A interacting module 挟持宿主细胞中的PP2A核心酶。

在病原微生物感染植物过程中，为了有效侵染宿主，病原微生物会向宿主细胞中分泌一大类蛋白分子，即效应子。效应子通过操纵宿主细胞的免疫相关分子，进而干扰植物细胞的免疫防御过程，从而使得病原菌更容易侵染植物。

研究团队以来自大豆疫霉的效应子PSR2为研究对象，通过免疫共沉淀检测，发现其可以挟持宿主细胞中的PP2A核心酶，并形成一种非传统型的全酶形式。研究表明，该全酶干扰了宿主细胞的某些代谢通路，使得病原微生物更易侵染植物。

《Advanced Materials》丨用机器学习模型完成“高难度动作”，这次“卷”的是非晶材料

非晶氧化镓短程及中程有序结构的特征分析

非晶（无定形）材料指原子排列缺乏长程周期性的固体材料，普遍存在于自然界中，也是工业生产及日常生活中使用最为广泛的一类材料。自20世纪50年代中期以来，科学家对非晶薄膜材料做了大量研究。1977年，Murray Hill、Philip W.Anderson、Nevill Mott、John Van Vleck获诺贝尔物理学奖，他们对磁性和无序系统的电子结构方面研究作出重要贡献。此后，非晶材料的研究主要指向三大类：非晶态半导体和非晶态金属；氧化物和非氧化物玻璃以及非晶态高分子聚合物。这其中，非晶态半导体材料在近10年来发展势头尤其迅猛。

非晶氧化镓具有超宽的禁带宽度和优异的物理化学特性，是制造高功率芯片和柔性光电子器件的重要基础材料。近日，清华大学航天航空学院曹炳阳教授课题组针对非晶氧化镓体系，采用机器学习、分子动力学模拟及实验测量相结合的方法成功揭示了非晶氧化镓的原子结构特征、热输运性质及“结构—热输运性质”内在影响机制和定量关系。当前实验技术难以直接观测到非晶材料的三维原子结构，研究团队转而借助具有量子力学精度的机器学习势函数模拟熔化——淬火过程对非晶材料进行原子尺度的准确建模，并使用非平衡分子动力学模拟、阿伦-费尔德曼简谐理论及统一导热理论对非晶氧化镓的热导率进行了研究。

研究结果对于开发非晶氧化镓电子器件的热管理技术具有重要意义，更为未来加速探索其他重要非晶材料的热传输特性和机理提供了一个新的起点。

《Advanced Materials》丨思路来了！创造一个精准消灭毒素、净化血液材料的“通用模板”

脓毒症是机体对细菌、病毒、真菌等微生物感染引发的炎症反应失调进而引起生理、生物、生化异常的临床综合征。虽然脓毒症是重症医学科（ICU）常见的疾病之一，但由于其初期难以判断、病情发展快、引起的并发症多，每年会造成全球超1100万患者死亡。

近日，中国科学院大连化学物理研究所生物技术研究部生物分离与界面分子机制研究组卿光焱研究员团队基于内毒素清除的血液净化策略，针对脓毒症临床治疗，开发了一种超精准内毒素分离材料。

具体来看，团队以大肠杆菌内毒素为模型，通过噬菌体表面展示迭代亲和筛选和内毒素解毒活性筛选，发现了一种对靶标内毒素具有高亲和力、高特异性和高解毒活性的内毒素亲和肽。该多肽不仅可以实现对内毒素与其他血液成分的精确区分，而且能够实现对特定种类内毒素分子的精准识别与清除。由此设计的肽基聚合物可以将脓毒症家兔血液中的内毒素水平从2.63±0.01降低到0.78±0.05 EU/mL (清除率> 70%)，显著缓解内毒素引起的多器官损伤和脓毒症预后。　

该项工作为超精准内毒素分离材料的开发提供了一个通用范例，有望通过打造一个内毒素系列分子全覆盖的高选择性吸附材料库，全面提升血液净化材料对内毒素的清除选择性，实现对特定内毒素分子的精准识别与清除。此外，这种自上而下的配体筛选策略也适用于其他内源性和外源性血液毒素的特异性清除，有助于推动“个性化”精准医疗在全球重症血液净化领域的探索与应用。

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