立体放大镜

美国威斯康星大学麦迪逊分校的科学家日前开发出一种能将光线放大一万倍的光学设备。让人称奇的是，这种神奇的“放大镜”只有几纳米大。研究人员称，该研究有望大幅提升相机弱光拍摄性能，在提高太阳能电池的转化效率上也有很大潜力。相关论文发表在近日出版的《物理评论快报》杂志上。　　光在某些方面和声音很像，可以产生共振，借助这种方式可将周围的光线放大。威斯康星大学麦迪逊分校的科学家，正是借助这一原理制造出了纳米“放大镜”。它实际上是一种纳米共振器，该设备能让光的波长变短，收集大量的光能，然后在一个非常大的区域将其散射出去。这意味着它的散射光能用于成像，能像放大镜一样，放大物体的光学尺寸。　　负责此项研究的该校电子与计算机工程学助理教授余宗福(音译)说：“就像琴弦能让周围的空气发生振动，产生美妙的音乐一样，这个非常小巧的光学器件能从周围吸收光线，产生让人惊讶的强大输出。”　　余宗福说，他们正在开发基于该技术的光电传感器，这样的设备将能帮助摄影师在弱光条件下拍出图像质量更好的图像。在成像领域，这样的能力要显著优于传统的玻璃和树脂镜片，因为这些传统光学材料更容易受到自身尺寸和光线方向的影响。　　鉴于纳米共振器能吸收大量光线的能力，该技术在提高太阳能光电转化效率方面也具有很大潜力。由于纳米共振器具有较大的光学截面，也就是说，其发光尺寸远远要大于其自身实际物理尺寸的大小，这样所带来的一个好处是，可以摆脱在类似的系统中经常会出现的、让人头痛的发热问题，让被动散热成为可能。　　研究人员称，这种纳米共振器对光散射能力显著优于之前的设备，在光传导和光传感领域开辟了一条新的途径。

2016年，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）院士包信和和研究员潘秀莲等提出的OXZEO催化技术发布于《科学》杂志。该项技术自提出以后就广受关注，并且入选了当年的“中国科学十大进展”。　　近日，基于OXZEO催化剂设计概念，大连化物所院士包信和、研究员侯广进等利用固体核磁共振技术，在金属氧化物分子筛（OXZEO）双功能催化剂催化合成气转化机理研究领域取得了新进展。相应研究成果于6月23日发表在《自然-催化》上。　　重要的催化过程与复杂的反应网络　　催化技术在资源利用、能源转化和环境保护等诸多领域发挥着关键作用，是人类现代社会发展速度与质量的重要保证。而石油资源是当代能源和材料的核心来源。近年来，随着石油资源的日益匮乏，寻找补充性乃至替代性技术路径，以此满足现代社会发展日益旺盛的能源和材料需求尤为重要。　　我国长期以来“富煤、缺油、少气”的资源结构，导致石油资源长期高度依赖进口。但是石油进口依赖国际环境，价格不可控，获取也容易受限。此外，人们对生态环境的保护意识也在不断增强，改良乃至废止高污染、高排放化工过程的呼声越来越高。但同时，生产效率又不能被牺牲，这使得催化研究领域面临很大的挑战。　　针对国家的需求和能源现状，包信和从20世纪90年代回国起就全身心投入到能源小分子催化转化的科学研究中，带领团队深入的开展基础研究，聚焦“纳米限域催化”领域，一干就是二十余年。2016年，包信和与潘秀莲等在煤基合成气转化制低碳烯烃的研究中,创建了OXZEO催化过程。随着研究的不断深入，OXZEO催化概念已拓展成为碳资源转化的重要平台。　　然而，OXZEO催化体系中涉及合成气经C1物种到多碳产物的转化过程，其反应网络非常复杂，包含催化剂表面众多的活化过程和复杂的多碳中间体，如何确定其活性组分和中间产物成为研究的难题，反应机理研究面临着挑战。　　独特的设计思路　　长期以来，基于在表界面催化及固体核磁共振谱学表征领域积累的丰富研究经验，包信和和侯广进等想到可以借助固体核磁共振方法对复杂多碳物种及其所处吸附相化学环境的原子超高分辨表征的优势，实现对OXZEO催化转化过程中催化剂表面活化多碳中间体的准确鉴别。　　“在中科院和大连化物所的大力支持下，为研究团队搭建了优异的仪器平台，特别是前些年中科院的修购计划支持了包括高场800MHz固体核磁共振谱仪等的仪器装备，为催化反应机理研究提供了重要的设备保障。”侯广进说。　　先进的表征技术和优秀的研究平台是团队在催化反应机理领域克难攻坚的利器。　　基于对OXZEO催化过程的大量反应实践，研究团队发现,以甲醇催化转化为代表的传统C1转化反应机理并不能准确解释OXZEO催化体系中观察到的很多实验现象。为了充分论证OXZEO催化体系中包含的特殊反应路径，基于ZnAlOx金属氧化物是典型的合成气转化制甲醇催化剂，而H-ZSM-5分子筛是经典的甲醇转化制烃催化剂。于是团队提出要建立一个ZnAlOx/H-ZSM-5模型催化体系，可以说，这是一种独特的设计思路。　　“如果我们可以在模型体系中观测到不同于甲醇直接转化过程报道过的中间体，并能够与OXZEO催化过程中观测到的独特反应现象相关联，”论文的第一作者纪毅说，“我们就可以说明OXZEO双功能催化概念是独特的，而我们观测到的关键中间体也对应了OXZEO催化中涉及的独特反应路径。”　　研究人员利用模型催化体系，借助准原位固体核磁共振-气相色谱联用的分析检测方法，观测了从初始碳-碳键生成到稳态转化过程中，包括表面多碳羧酸盐、多碳烷氧基、BAS吸附环戊烯酮、环戊烯基碳正离子在内多种中间体的动态演化过程。检测到了数量众多、种类丰富的含氧化合物中间体物种，揭示了合成气直接转化的OXZEO过程与传统甲醇转化的重要区别，有力的解释了OXZEO合成气转化过程中烯烃及芳烃产物独特的高选择性。　　接下来“向前也向后”　　在上述研究的基础上，团队进一步提出和论证了一氧化碳和氢气在分子筛中也参与了含氧化合物的生成，并初步建立了OXZEO催化转化过程中C1中间体到多碳产物的反应网络和反应机理。　　除了模型催化体系外，研究人员还在多种OXZEO催化剂上均观测到了关键中间体，验证了包括含氧化合物路径在内的反应机理的普适性。　　但是，团队的研究工作不止于此，后续的基础研究会“向前也向后”。　　“我们会进一步深入开展金属氧化物上C-O、H-H键活化以及C-H键形成的机理研究，进而拓展到其它碳资源转化领域如二氧化碳加氢等。”论文共同第一作者高攀告诉《中国科学报》。　　与此同时，大家心里都有一个“梦”，就是将催化机理研究与实际反应密切结合，尽早实现OXZEO过程的工业化。　　“基础研究需要一步一个脚印的积累，如果这些催化化学中基础科学问题的研究成果能够帮助应用研究学者建立一套完整的催化体系，设计出更高效的、理想化的催化剂，那我们的梦想就一定能实现。”侯广进提到。　　有了前进的方向，整个团队将卯足精神，向前冲锋。侯广进对组内人员也提出了希望：“每个人都要有自己的思考，带着研究性思想去做工作，及时沟通交流，团队合作，协力攻坚，相信我们一定会取得更多、更好的研究成果。”　　“作为包老师研究团队中的一个研究组，核磁共振是我们的特色也是优势，与其他几个研究组形成学科交叉、优势互补。最终目标，肯定是要从基础研究推向实际应用。”侯广进说。

p　　航程12000多海里，执行我国第九次北极科学考察的“雪龙”号9月26日回到母港——位于上海的中国极地中心码头。/pp　　在本次科考中，科考队以“雪龙”号为平台，围绕海洋酸化等热点问题，进行了深入全航程监测。br//pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/a9f1a932-2366-451c-b917-28209df4f667.jpg" title="工作人员取冰.jpg" alt="工作人员取冰.jpg"//pp　　什么是海洋酸化?在北冰洋开展海洋酸化研究有何特别意义?目前北冰洋酸化研究存在什么困难?/pp　　全航程监测北冰洋海水pH值/pp　　和全球变暖“祸出同因”， 海洋酸化同样源于人类向大气过量排放的二氧化碳。/pp　　不同的是，全球变暖是由于排入大气中的二氧化碳温室效应作用，海洋酸化是溶入海水中的二氧化碳和水发生化学反应，产生大量碳酸根和氢离子，变成北冰洋“汽水”。随着溶于海水的二氧化碳不断增加，海水pH值和碳酸钙饱和度持续下降。/pp　　走航观测是本次海洋酸化研究的一个重要组成部分。正因如此，对自然资源部海洋三所助理研究员祁第来说，从上海出发，经过日本海、鄂霍次克海、白令海，直到北冰洋高纬海区，以及自北冰洋返回上海，“雪龙”号69天的航程具有特别意义。/pp　　“船开出去后，借助船体加装的高精度pH走航观测系统，每隔20分钟，我们就能获得表层海水的高时空分辨率数据，初步统计，此次北极科考获得了两千多个点的、跨越多个经纬度的北极大空间尺度的高分辨pH走航数据。”祁第告诉记者。/pp　　海洋酸化是个很缓慢的过程，如果精度不高这种变化根本看不到。祁第说，这次科考中除了pH走航系统能进行全航线监测外，还设置了40多个水文站位。水文站位采样，是将重达200多公斤的CTD放入海中进行相关作业。CTD由24个10升的采水瓶和一些测试仪器组成。每下降到一定深度，采水瓶会自动采集海水样品。船上实验室的电脑也会实时接收并显示仪器观测到的海洋数据。/pp　　祁第告诉记者，此次作业中，CTD下沉至4000多米的海底，一般需经过4个多小时，才能完成作业。尽管采样工作量大，却是获取海洋全水深酸化数据的最可靠手段。此外，水文站位的表层数据还可以和走航数据进行比对校正，确保了走航观测数据精度的可靠性。/pp　　为了解海冰覆盖下的海水酸化状况，本次考察设置了9个短期冰站和1个长期冰站。当船到达某一个冰站，工作人员将搭乘从船上放下的小艇，行至浮冰上，借助冰芯钻取及采集手段、半自动采水系统采集样品，并利用海洋环境多参数分析仪，现场分析温度和盐度。但冰站作业却是探究海冰融化驱动酸化机制的最直接办法。/pp　　酸化比太平洋或大西洋等快4倍多/pp　　1999年，经国务院批准，我国首次北极科学考察队搭乘“雪龙”号极地科学破冰船首航北冰洋。当年的科考任务中，把如今仍不被很多人所熟悉的海洋酸化研究列入其中，正是时任领队兼首席科学家陈立奇研究员主持。/pp　　上世纪80年代，作为我国最早选派到美国学习全球变化科学的学者之一，陈立奇参与了“海气实验计划”的全球计划。大量实践和研究使他敏锐地意识到，人类活动对全球变化的作用，已经接近并超过自然变化的强度和变率。/pp　　“从工业化到本世纪初，海洋平均pH下降0.1的时间，从每百年单位进入每十年。”谈及研究的初衷，陈立奇回忆，当时的推测是，在这种全球变化背景下，作为生态系统结构简单、对气候和环境变化也最敏感的地区，北冰洋会首先感应到这种酸化加速并被放大。/pp　　过去20年，北极升温幅度是全球平均升温的6.7倍。北极快速升温导致北冰洋海冰大量融化，每年夏季开阔水域超过1000万平方公里，高浓度的二氧化碳容易入侵北极海水，导致其上层水体的酸度升高。/pp　　与此同时，全球变化和北极变暖引起的北极海洋环流和大气模态异常，让北冰洋酸化雪上加霜。北冰洋海冰覆盖面积快速后退，诱发太平洋携带“腐蚀性”的酸化海水大范围入侵，这也是导致北冰洋酸化海水快速扩张的最主要原因。/pp　　如今多项研究已证明，北冰洋是全球海洋酸化“领头羊”。/pp　　“北冰洋是我们观测到的第一个如此迅速且大范围、长时间酸化加重的大洋，比在太平洋或者大西洋观测到的结果要快4倍以上。”祁第说，历经9次北极科考，基于对过去20年来所有横穿北冰洋航次数据的精细分析，结合历次我国北极科考航次的数据集成后发现，北冰洋酸化水体以每年1.5%速度快速扩张，并预估酸化水体将在本世纪中叶覆盖整个北冰洋。/pp　　组成全球观测网，用数据说话/pp　　2016年，一则新闻引发关注。在澳大利亚东部海岸绵延2300公里的“国宝”大堡礁，由于珊瑚大规模白化，已导致北部和中部区域约35%的珊瑚死亡或濒临死亡。白化现象最严重的部分珊瑚礁中，一半以上珊瑚已经死亡 剩余珊瑚中有一部分无法从白化恢复正常，死亡比例将进一步上升。/pp　　海洋酸化带来的影响打破了地理边界。/pp　　在北冰洋，翼足目类海螺是北冰洋食物链中重要的一环，是北极三文鱼和鲱鱼重要的食物。2013年发布的《北极海洋酸化评估：决策者摘要》，指出北极海洋正在酸化，并对海洋生物和渔业资源构成威胁。/pp　　祁第解释，在pH值较低的海水中，为了保护自己，这些钙化生物会长得越来越小、外壳越来越厚。作为饵料，它们的价值也会下降，这将影响渔业和水产养殖等，进而通过食物链破坏整个生态系统。/pp　　从时间横轴来看，从第三次北极考察开始，我国北极科考酸化研究安装了船载走航二氧化碳观测系统，不仅可以观测海洋吸收二氧化碳的量和潜力的变化，还可以为评估海洋酸化提供重要数据 基于中美国际合作，第四次北极科考开发的净群落生产力走航观测系统，扩展了生物过程对海洋酸化的影响研究和贡献评估。/pp　　祁第表示，当前海洋酸化演化成全球生态环境危机，尽管在北冰洋开展海洋酸化研究有着“一叶而知秋”的重要意义，但也面临重重困难，数据是一大瓶颈。/pp　　目前来自欧盟、美国、加拿大、日本和韩国等的科学家，都对北冰洋海洋酸化的研究给予了高度关注，并对北极陆架海域和南部海盆海水的酸化状况、海冰融化、生物过程、太平洋冬季水入侵影响等进行了研究。面对全球大洋研究最为匮乏的区域之一，这些国家的科研人员同样受困于高时空尺度的数据。/pp　　几年前我国提出了以北冰洋和北太平洋酸化为重点海区的观测网计划(nPAOA-ON)。“我们对北冰洋酸化的研究表明，在全球气候变化驱动下的海洋酸化没有国界，人类需要携手聚焦典型海域酸化实时监测，组成全球观测网并对酸化趋势和影响评估，采取应对和减缓措施，以构筑保障海洋生态屏障。”陈立奇说。/pp　　此次科考中，我国同样邀请了法国、美国科学家，乘坐“雪龙”号采集海洋酸化数据，就这一全球环境热点问题开展科学合作。/pp　　“就目前的研究而言，海洋酸化的损害后果仍难以评估。”但祁第可以肯定的是，要了解酸化对海洋生态系统意味着什么，需要用数据说话，开展长期监测研究。/p