科研发展动态 | 2021年第5期

发布时间:2021/08/19 10:11:52 文章来源:本站

2021年第5期



| 要目 |



— 生命科学 —

1.香港理工科学家利用细菌聚集与回收微塑料

2.大脑想象书写文字 脑机接口转换显示准确率达99%



— 信息科学 —

1.IBM全球首发2纳米芯片技术

2.中科大研制出62比特可编程超导量子计算原型机



—  材料科学  —

1.加州伯克利科学家用酶生产出可完全降解的聚酯塑料

2.南开大学科研团队在锂-氧气电池研究领域获得突破





| 生命科学 |



香港理工科学家利用细菌聚集与回收微塑料


近日,来自香港理工大学的Yang Liu发现了一种利用细菌捕获微塑料并将它们从环境中去除从而使其更容易回收的方法。该方法使用绿脓杆细菌生物膜——一种由微生物产生的粘性物质来捕获微塑料颗粒,然后生物膜会被处理和分散进而释放出微塑料颗粒以进行处理和回收。这种细菌在各种环境中都有发现,并且有证据表明它能在环境中的微塑料上定居。在生物反应器中,绿脓杆菌生物膜让微塑料聚集在一起并最终让它们下沉,这让微塑料的收集工作变得更加方便。一旦微塑料被生物膜捕获并沉入反应器底部,研究人员就能用生物膜扩散基因让生物膜释放出微塑料。Liu和他的同事们希望这项技术最终能用于污水处理厂,从而帮助防止微塑料泄漏到海洋中。


微评:微塑料是指直径小于5毫米的塑料颗粒,它们可以通过多种途径进入环境。目前处理微塑料的方法如焚烧或填埋场储存等,都有其局限性和不足。微塑料是一个环境大问题,其巨大的表面积和吸附能力可以吸附高浓度的农药、重金属、药物残留等有毒污染物,对食物链和人类健康都构成了重大风险。如果这种细菌去除微塑料的技术能实现工业化生产,将对全球环境带来重大改善。




大脑想象书写文字 脑机接口转换显示准确率达99%


近日,《自然》发表了斯坦福大学霍华德·休斯医学研究所的一项研究成果。研究人员第一次发现并破解了关于大脑想象字母书写时的独特神经活动模式,通过学习并解析这些模式,该项研究使得“被书写”的字母可以实时显示出来。该团队主要由研究员Krishna Shenoy、Francis R. Willett博士以及斯坦福大学神经外科医生Henderson组成,他们从2005年就开始合作进行脑机接口的研究。


研究团队将人工智能软件与一款脑机接口设备结合起来,与一名大脑中植入脑机接口设备的瘫痪患者合作,让该患者想象他拿着一支笔,在一张横线纸上“尝试”写字,就像他的手没有瘫痪一样,并将该男子手写意图快速转换为电脑屏幕上的文本。这种脑机接口是为那些患有“闭锁综合征”(Locked-in Syndrome)的人设计的,这些人群几乎所有的随意肌都瘫痪,无法说话或交流。研究人员使用了一种叫做递归神经网络(RNN)的人工神经网络,这种神经网络特别擅长预测顺序数据。他们重新设计了一种最初为语音识别开发的机器学习算法,在运用预测语言模型(类似于智能手机上的自动纠错功能)后,转换错误率与其他脑机接口研究成果相比得到大幅降低:复制句子的错误率低于1%,自由书写句子的错误率略高于2%。


微评:在投入大规模临床应用前,还有很多工作要做。研究人员仍需进一步验证该技术的使用寿命、安全性和效果,测试该方法是否能推广到其他用户和实验室之外的设置。要将这项技术转化为真正的产品,还需要简化用户训练算法的复杂过程,并且足够智能,能够自动跟踪神经活动的实时变化,微电极装置也应是无线且完全植入的。




| 信息科学 |



IBM全球首发2纳米芯片技术


5月6日,IBM官宣推出全球首创的采用了2纳米GAA(Gate-All-Around,环绕栅极晶体管)工艺的芯片技术,该技术第一次使用底介电隔离通道,其内部间隔采用第二代干法设计,也是第一次使用了EUV曝光FEOL部分过程。当下,业内只有台积电、三星实现了3nm制程芯片的研发,且尚未实现量产。GAA是一种改良的晶体管结构,其中通道的所有面都与栅极接触,这样就可实现连续缩放。与GAA相对应的是FinFET(鳍式场效应晶体管),FinFET是芯片从22nm逐步进军7nm、5nm的关键工艺。但在进入7nm以下后FinFET逼近极限,产业界迫切需要新的工艺技术。这时GAA出现了。2020年8月,台积电却对外表示公司的3nm将继续沿用之前的FinFET,这也为GAA的落地普及蒙上了一层阴影。此次IBM 2nm GAA芯片的问世,让人们还在犹豫的GAA能否替代FinFET的疑问也烟消云散。



对于整个半导体行业而言,IBM的技术是非常重要的创新和飞跃。但相对于产业界来说,却仍然是个短时间内无法企及的美好梦想。首先,研制成功不等于量产成功。在 IBM发布的新闻中,没有提到良率问题,因此整个业界什么时候能够真正用上 2nm 的制程,还需要等待量产的消息。此外,新闻中也漏掉了常见的客户背书环节,因此在无客户的情况下,很难推测从研制到量产需要多久。况且,2nm 芯片因工艺特殊,对光刻机的要求也更为苛刻,荷兰ASML公司足以支撑2nm芯片的量产全新一代光刻机预计到2025年才量产。


微评:IBM本身并不具备量产芯片的条件和能力,其2nm芯片会通过授权的形式,交给高端芯片代工厂商来完成。这本来仅仅是产业链分工细化的表现,但对于台积电而言,事情就没那么简单。台积电最大竞争对手仍然是三星,双方在3nm芯片这一阵地剑拔弩张,但三星3nm GAA芯片的量产至今仍无确切时间。反观台积电3nm FinFET 芯片预计2022就可以实现量产,2nm GAA芯片也在研制中,看样子台积电还将稳坐全球芯片代工第一的宝座。此时与三星保持良好合作的IBM突然宣布2nm GAA芯片研制成功,也许将对台积电的既定规划造成冲击。另外英特尔也很可能参与到代工生产中来,此前英特尔宣称2年内超越台积电。




中科大研制出62比特可编程超导量子计算原型机


中国科技大学中科院量子信息与量子科技创新研究院(以下简称量子创新研究院)潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队,成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并在此基础上实现了可编程二维量子行走。相关研究成果于2021年5月7日在线发表在国际学术期刊《科学》杂志上。


量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面(如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等)相比经典计算机实现指数级别的加速。当前,量子计算机研制作为世界科技前沿的重大挑战之一,已经成为欧美各发达国家竞相角逐的焦点。超导量子计算,作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一,其核心目标是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能,从而能够高精度相干操控更多的量子比特,实现对特定问题处理速度上的指数加速,并最终应用于实际问题中。

潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算的上述核心目标,取得了一系列重要进展。2019年初,在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备,保真度达到70%(Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)),打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。同时,该团队开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中, 为未来多体物理现象的模拟以及利用量子行走进行通用量子计算的研究奠定了基础(Science 364, 753 (2019))。随后,团队将芯片结构从一维扩展到准二维,制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器,并首次在固态量子计算系统中,实现了超过20比特的高精度量子相干调控(Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019))。近期,该团队在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上,成功构建了国际上超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示。研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上,观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象,实验研究了二维平面上量子信息传播速度,同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪,实现了可编程的双粒子量子行走。


微评:该成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础。此外,基于“祖冲之号”量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用,将是后续发展的重要方向。




| 材料科学 |



加州伯克利科学家用酶生产出可完全降解的聚酯塑料


塑料可完全降解的概念,已经诞生多年,但却没有技术能真正做到。当前虽然有一些可“生物降解”的塑料,但是“可降解”和“可完全降解”带来的结果完全不一样。无法完全降解的塑料,会通过一定方式进入海洋生物体内,进而通过食物链进入人体体内。4月21日,Nature发表了加州大学伯克利分校材料科学与工程系教授徐婷担任通讯作者的论文,标题为《聚酯与纳米分散酶几乎完全解聚》。该论文展示的技术无需特殊条件,一天到几周内就能完全降解塑料。


以徐婷为首的研究团队把酶介入到塑料诞生的初始阶段,让其作为生产塑料的原料。但酶的分子特征不算太稳定。一旦脱离细胞范围,它就会丧失功能、或者被降解掉。为了保护酶免于崩解,该团队开发出一种分子,名字叫随机杂聚物(Random Heteropolymers,下称 RHP),它能像包裹果肉一样把酶包起来,酶的自然柔韧性不会受到影响,塑料特性亦不会被改变。数十亿个酶被包裹起来后,和塑料树脂珠混合后,即可用于塑料生产。具体生产塑料时,只要保证酶的功能不变,当制备出来的塑料在结束使用用途、并进行再回收时,只要遇水遇热,就能唤醒酶的降解能力。其原理是:嵌入的酶会固定在聚合物链末端附近,在适当条件下遇水遇热,就能从链末端降解聚合物分子。在不同温度下,降解速度也各不相同。徐婷指出,正常室温环境下,花费 7 天左右的时间,80% 的聚乳酸塑料就能被完全降解,降解后会变成乳酸。使用本论文中的方法,在工业环境下处理同样重量的塑料,速度会更快。使用本论文技术生产的塑料,98% 的部分会被降解成小分子,还可避免对环境产生有害物质,如微塑料。

针对聚乳酸塑料的降解,研究团队嵌入了一种称为蛋白酶 K 的酶,该酶能将聚乳酸塑料咀嚼成乳酸分子。而针对聚己内酯塑料的降解,研究团队使用了脂肪酶。以上两种酶,都是廉价且容易获得的酶。徐婷表示,他们正在开发可降解其他类型的聚酯塑料的 RHP 包裹型酶。目前正在对 RHP 进行改性,以便让降解过程能在特定时间节点停止,且不让该材料遭受破坏,这有望让塑料重新熔化、并变成新的塑料,届时塑料有望进入可循环使用的“永生”阶段。


微评:本论文使用的技术应用前景广阔,它不仅能造出塑料购物袋,还能制造可生物降解的胶水,甚至还可被制成衣服,不仅具有巨大的市场潜力,而且也有重大的环保价值。




南开大学科研团队在锂-氧气电池研究领域获得突破


让电池“吸”入空气中的氧气,经过简单化学反应,实现放电;充电时,放电产物通过可逆反应被分解,又重新释放出氧气。结构简单、绿色环保、理论能量密度极高的锂-氧气电池,正在让“空气发电”成为现实。最近,南开大学研究团队成功地把光引入锂-氧气电池,开辟了构筑高效金属-空气电池的新思路。该项研究成果直接将光在电池中实现转化和存储,为太阳能发电和存储提供了新策略。研究成果的论文发表在国际顶级学术刊物《美国科学院院刊》(PNAS)上。


在众多新型高比能量电池技术中,锂-氧气电池技术凭借高理论能量密度(比现有锂离子电池容量高3-5倍),广受研究人员关注。从原理上看,锂-氧气电池明显不同于我们熟悉的锂离子电池。与锂离子电池需要镍、钴、锰等元素做电极不同,锂-氧气电池的结构更简单,可以直接用锂金属作为负极,把空气中的氧气作为正极反应物。电池放电时,氧气在电池的多孔正极中被还原出来,与电解液中的锂离子结合生成放电产物——过氧化锂,在外电路中产生电流;充电时,过氧化锂又可逆分解成锂和氧气。尽管被认为是极具发展前景下一代电池体系,但其正极迟滞的反应动力学导致的充放电过程极化大、能量效率低等问题极大地制约了锂-氧气电池的发展和应用的脚步。因此,探索新的反应机制以降低锂-氧气电池极化是非常必要的。


南开大学研究团队将半导体材料应用于光响应的锂-氧气电池和锌-空气电池中。他们发现,将金属纳米颗粒载入电池的正极,负载到多孔氮化碳上,研究出的金属/半导体异质结可大幅提升可见光的吸收,异质结界面处的空间电荷层可延长光生电子和空穴寿命,同时提升氧气还原反应动力学,促进放电产物过氧化锂的生成。充电时也可高效氧化过氧化锂,释放出氧气。


微评:让前沿的电池技术从实验室走入真正的工厂中,还有很长的路要走。设计制造新型电池,也成为各国激烈竞争的领域。从世界范围看,大量的资金和人才正在注入新一代电池业,全新电池技术乃至能源变革已经在路上。