為了讓異質(zhì)集成芯片材料不再“卡脖子”，研究人員集中力量攻堅克難，針對黑磷及其合金的單晶薄膜制備問題提出了有效解決方案；不同于科幻小說家儒勒·凡爾納的《地心之旅》一書中所描繪的那樣，地球內(nèi)核不是空心的，而是由固態(tài)鐵和流動的輕元素（碳、氫、氧）組成的超離子態(tài)，研究團(tuán)隊抓住線索深挖，發(fā)現(xiàn)了超離子態(tài)鐵-氫合金可以與地磁場發(fā)生相互作用，在偶極磁場的作用下形成各向異性結(jié)構(gòu)……基于國際科技創(chuàng)新中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺科創(chuàng)熱榜每日榜單形成的一周科技記憶，我們推出《一周前沿科技盤點(diǎn)》專欄。今天，為大家?guī)淼谌钠凇?/p>

1《nature materials》｜為什么說后摩爾時代，黑磷材料體系有望成為“殺手級”應(yīng)用

黑磷單晶薄膜的生長以及單晶質(zhì)量表征

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，摩爾定律（moore law）已不可避免地走向三大分支：延續(xù)摩爾（more moore）、擴(kuò)充摩爾（more than moore）、超越摩爾（beyond moore）。這其中，擴(kuò)充摩爾（也稱異質(zhì)集成技術(shù)）發(fā)展迅猛，風(fēng)頭正勁。異質(zhì)集成指的是：將單獨(dú)制造組件集成為更高級別的組裝體，即一顆芯片整合更多功能。

黑磷是面向下一代電子、光電子應(yīng)用的重要備選材料之一。黑磷之于異質(zhì)集成技術(shù)，相當(dāng)于硅等半導(dǎo)體材料之于初代芯片。而制備出大面積、高質(zhì)量黑磷二維原子晶體薄膜，將成為其走向規(guī)模化集成應(yīng)用的關(guān)鍵。

聚焦上述問題，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院何軍教授課題組、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張凱研究員和湖南大學(xué)潘安練教授共同發(fā)表有關(guān)二維電子材料及光電芯片最新研究成果，圍繞黑磷及其合金的單晶薄膜制備問題提出了有效解決方案。

研究團(tuán)隊與合作者設(shè)計開發(fā)了一種新的緩釋控源的生長策略，利用“分子篩”多孔供源通道控制磷源緩釋供給，維持穩(wěn)定的低壓生長環(huán)境，避免傳統(tǒng)的磷源對流供給模式，獲得可控的擴(kuò)散供給模式，有效降低成核密度及晶體缺陷。

2《science》｜仿生學(xué)制造細(xì)微曲面，破“次元壁”了！

基于仿生微點(diǎn)陣設(shè)計概念的三維細(xì)微曲面定制化設(shè)計。

a圖為生物體中的三維多孔微結(jié)構(gòu)；b圖為章魚狀三維細(xì)微曲面的定制化設(shè)計流程

“魔鬼往往藏在細(xì)節(jié)里”(devils in the details)——卷心菜、花朵、蜂窩、章魚、螞蟻……形態(tài)各異的生物往往擁有復(fù)雜的曲面。受這些生物曲面的三維多孔微結(jié)構(gòu)啟發(fā)，人類設(shè)計制造出大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；慨a(chǎn)。但其中涉及到精細(xì)調(diào)控二維微米薄膜厚度分布的部分，都成了技術(shù)瓶頸。

對此，清華大學(xué)航天航空學(xué)院和柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授課題組另辟蹊徑，設(shè)計思路超越“二維”，跳到“三維”：課題組提出，以一種微點(diǎn)陣設(shè)計概念精細(xì)調(diào)控二維薄膜的剛度分布特征，進(jìn)一步結(jié)合力學(xué)引導(dǎo)的三維屈曲組裝方法，實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜細(xì)微曲面的定制化設(shè)計與制備。

該課題組通過建立基于曲梁變形理論和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的微點(diǎn)陣設(shè)計方法，用于優(yōu)化二維點(diǎn)陣薄膜中孔隙率與三角形單胞尺寸的分布特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維細(xì)微曲面的逆向設(shè)計。以這樣的思路，研制出一種透氣共形的三維心臟電子器件、一種具有雙振動模式的仿生驅(qū)動器件和一種仿視網(wǎng)膜三維電子細(xì)胞支架。

定制三維細(xì)微曲面具有諸多性能等優(yōu)勢，可應(yīng)用于生物電子學(xué)、微型機(jī)器人、微納光學(xué)等領(lǐng)域。此次研究者破“次元壁”之舉，未來撬動的市場或不可估量。

3《science bulletin》｜這些年，青藏高原的湖水多了還是少了？未來會怎樣？

青藏高原內(nèi)流區(qū)18個湖泊的水儲量估算及未來預(yù)估

納木措、瑪旁雍措、普莫雍措……藏語中，“措”指湖泊。青藏高原上，這樣的湖泊星羅棋布，它們作為亞洲眾多重要河流的發(fā)源地，成為“亞洲水塔”的重要組成部分，如同一顆顆晶瑩剔透的藍(lán)寶石鑲嵌在大地上，滋養(yǎng)一方水土。近年來，在全球變暖引發(fā)一系列異常氣候的深刻影響下，青藏高原部分地區(qū)湖水蒸發(fā)量升高，伴隨高原冰川加速消融，降水量明顯增多，最終導(dǎo)致青藏高原部分湖泊水體擴(kuò)大。

中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(lasg)賈炳浩研究員、王龍歡博士、謝正輝研究員，基于重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)和高分辨率陸面過程模擬，估算了青藏高原內(nèi)流區(qū)18個大型湖泊(大于300 k㎡)2002-2018期間的湖泊水儲量變化，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)估了未來湖泊水儲量的變化。

研究團(tuán)隊認(rèn)為，18個湖泊的水儲量在2002-2018年間以約26.92毫米/年的速度增加；在中等排放情景下(ssp245)下，青藏高原內(nèi)流區(qū)湖泊未來水儲量增加趨勢將變緩，到21世紀(jì)中葉，湖泊水儲量的增長速率將下降到過去20年的40%左右。

該研究為青藏高原大范圍、長時間湖泊水儲量估算提供了新思路，研究結(jié)果有助于更好地理解氣候變化對高原湖泊水儲量的影響，可為氣候變化背景下水資源適應(yīng)性管理提供科學(xué)依據(jù)。

4《nature communications》｜地核不是一坨無聊的鐵！它黏稠、q彈、亂糟糟的，甚至可能引發(fā)地震……

內(nèi)核中地磁場示意圖以及隨深度變化各向異性構(gòu)造變化，以及超離子態(tài)內(nèi)核模型與不同深度地震學(xué)觀測對比

在科幻小說家儒勒·凡爾納的《地心之旅》一書中，地球內(nèi)核是空心的。去年，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所李和平、何宇和孫士川等人組成的團(tuán)隊與北京高壓科學(xué)研究中心毛河光院士團(tuán)隊發(fā)文揭示地球內(nèi)核并非傳統(tǒng)認(rèn)知的固態(tài)，而是由固態(tài)鐵和流動的輕元素（碳、氫、氧）組成的超離子態(tài)。

近期，上述團(tuán)隊又同北京高壓科學(xué)研究中心毛河光院士、duck young kim研究員以及南方科學(xué)技術(shù)大學(xué)林玉峰教授團(tuán)隊合作，讓研究走深走實(shí)。依托深度勢能分子動力學(xué)，他們對六方相（hcp）超離子態(tài)鐵-氫合金進(jìn)行了深入研究。

通過人工智能驅(qū)動的新方法，研究團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)了外電場下大規(guī)模分子動力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)了超離子態(tài)鐵-氫合金可以與地磁場發(fā)生相互作用，并在偶極磁場的作用下形成各向異性結(jié)構(gòu)。這就為地核復(fù)雜的各向異性和不均一結(jié)構(gòu)成因提供了全新解釋。更重要的是，該項(xiàng)研究首次建立起了地球內(nèi)核結(jié)構(gòu)與地磁場之間的耦合關(guān)系，為研究地磁場的運(yùn)行機(jī)制與演化提供了關(guān)鍵線索。

5《angewandte chemie international edition》｜外磁場的“加持”下，自旋催化應(yīng)用范圍再拓展

自旋催化機(jī)制促進(jìn)水氧化中協(xié)同的o-h斷鍵和o-o成鍵

自旋是所有粒子的基本參量，不但電子存在自旋，中子、質(zhì)子、光子等所有微觀粒子都存在自旋，只不過取值不同。近日，自旋催化作為一種新興催化機(jī)制，在各大頂級期刊中頻刷存在感?；瘜W(xué)反應(yīng)斷鍵/成鍵過程與電子自旋平行/反平行排列密切相關(guān)，因此，改變催化劑的電子自旋狀態(tài)，就能影響反應(yīng)路徑甚至是反應(yīng)產(chǎn)物選擇性。

中國科學(xué)院化學(xué)研究所張闖課題組、盛樺課題組通過合作研究發(fā)現(xiàn)，在利用亞鐵磁性fe3o4電催化水氧化時，外磁場（150 mt）可以有效促進(jìn)水氧化的進(jìn)行。該研究與以往不同之處在于，它揭示了外磁場對水氧化的自旋增強(qiáng)效應(yīng)，這個催化過程對酸堿環(huán)境的依賴性極高。此外，課題組進(jìn)一步將自旋催化機(jī)制從水氧化反應(yīng)拓展到co2還原反應(yīng)中。

上述研究首次證明了外磁場促進(jìn)更為普遍的基態(tài)單線態(tài)分子的斷鍵過程，大大拓展了自旋催化機(jī)制的應(yīng)用范圍。