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特刊详情 客座编辑 Christoph Oberlack，瑞士伯尔尼大学 Simona Pedde，荷兰瓦赫宁根大学 Luigi Piemontese，瑞典斯德哥尔摩复原力中心 Diana Sietz，德国Thünen生物多样性研究所 Tomas Vaclavik，捷克帕拉茨基大学 主题范围 Land use systems are pivotal for fostering necessary sustainability transformations at local to global scales. However, knowledge about effective strategies to foster sustainability transformations of land use systems currently remain dispersed among highly contextualized case studies. This Focus Issue consolidates archetypes of...

特刊详情 客座编辑 谭超，中国，天津大学 Geir Anton Johansen，挪威，卑尔根大学 Masahiro Takei，日本，千叶大学 梁光辉，中国，天津大学 主题范围 Multiphase flow is the most frequently encountered process in petroleum, chemical and biomedical engineering, which has been a broadly investigated topic for many years. Process tomography is a very helpful technology for visualizing the multiphase flow fields in a non-disturbance manner. Over the past four...

本篇研究来自中国科学院福建物质结构研究所官轮辉课题组。本文提出一步热解金属三唑骨架MET以形成富氮的分层多孔碳网络。同时，多孔碳前驱体可有效提高提高导电性，加快质子转移和物质运输速度。本工作通过设计MOFs作为碳基体和样品热解处理选择，可推广到其他MOFs基催化剂的制备。 文章介绍 Mn-N-C catalysts derived from metal triazole framework with hierarchical porosity for efficient oxygen reduction  Huiying Wang(王慧莹), Ziyan Kong(孔紫嫣), Minghao Wang(王明浩), Bing Huang(黄兵) and Lunhui Guan(官轮辉) 通讯作者： 官轮辉，中国科学院福建物质结构研究所   研究背景： 燃料电池和锌空气电池等电能转换装置经常使用金属-氮-碳(M-N-C)催化剂代替稀缺和昂贵的铂基催化剂用于氧还原反应。金属有机骨架(Metal-organic frameworks, MOFs)是多孔晶体材料的一个分支，可作为碳网络前驱体/自牺牲载体，通过热解制备M-N-C催化剂。然而，MOFs的碳化处理会导致各种价态的金属氧化物颗粒产生，烧结团聚或碳骨架坍塌等情况。因此，制备孔道结构丰富且结构稳定的前驱体，可显著提高金属-氮-碳(M-N-C)催化剂的活性位点密度和位点利用率。   研究内容： 本文提出一步热解金属三唑骨架MET以形成富氮的分层多孔碳网络。分层孔隙结构使锰离子均匀分散，减少一般热解产生的烧结团聚和金属氧化物的形成。同时，多孔碳前驱体可有效提高提高导电性，加快质子转移和物质运输速度。其活性和稳定性优于大部分已报道MOF衍生的Mn基催化剂。本工作通过设计MOFs作为碳基体和样品热解处理选择，可推广到其他MOFs基催化剂的制备。 图1 (a) Mn-N-C-35催化剂的合成过程示意图；(b) MET和(c) Mn-MET-35的SEM图像；(d) Mn-N-C-35催化剂的HR-TEM图像和(e, f) Mn-N-C-35催化剂的TEM图像;(g) Mn-N-C-35催化剂的HAADF-STEM图像和相应的EDS元素映射图像。   要点： 通过一步热解大批量制备Mn原子高度分散的氧还原电催化剂， SEM图像(图1b-c)显示催化剂粒径大小均一且具有完美的八面体结构。STEM图像（图1d-g）表明C、N、O、Mn元素分布均匀，没有明显的金属簇及金属氧化物。 图2 (a) Mn-MET-X的热重图像；(b) Mn-MET-X的孔径分布图SEM图像；(c) Mn-MET-X中氮的种类和含量。 Mn-N-C-35的比表面和微孔表面积分别为1182和397 m2·g-1。它的高孔隙率是由于MET中的三氮唑配体高温热解时大量分解和释放气体，在没有额外造孔剂的条件下形成分层多孔的碳骨架。从孔径分布图可知，催化剂的表面积增大是由于介孔结构的改善，Mn-N-C-35介孔体积高达0.86。 图3 (a-f)...

本篇研究来自中山大学吴鑫课题组。本篇研究旨在为读者提供基于MXene材料的打印和应用近期研究进展的最新回顾，重点聚焦于三个部分，即形成可打印的基于MXene的墨水、当前MXene的打印方法以及打印制件的应用。最后，展望了未来的挑战和研究机会，旨在为该领域的研究人员提供有用的信息。 文章介绍 Printing of MXene-based materials and the applications: a state-of-the-art review Xiyue Chen（陈曦玥）, Ruxue Yang（杨汝雪） and Xin Wu（吴鑫） 通讯作者： 吴鑫，中山大学化学工程与技术学院，广东珠海，wuxin28@mail.sysu.edu.cn   研究背景： 二维材料具有单原子厚度的独特微观结构，这赋予他们非凡的机械、电学、热学和光学性能。因此，二维材料大量应用在储能、环境工程、生物医学、海水淡化、电子和光电子学等领域。新兴的二维材料，包括 MXene，氮化硼、黑磷、过渡金属硫族化物，获得了越来越多的研究关注。二维材料的繁荣发展无疑会促进纳米材料的研究，并对未来技术产生重大影响。 MXene是新兴的二维材料，具有出色的电导率、亲水性、催化性能和光电性质。因此，MXene是制造光电器件、生物传感器、催化剂、超级电容器等功能器件的理想材料。 打印技术为制造基于MXene材料的功能设备提供新的方式。打印技术智能、灵活、具有种类繁多的基底与油墨适配、精准打印高分辨率图案。与传统制造方法相比，打印技术具有许多优点，例如高灵活性，对宏观尺度和微观尺度几何形状的精确控制，无需组装、废料少、环保等。其中喷墨打印技术、墨水直接书写、立体光刻等方法已经成功应用于制造基于MXene材料的器件，展示出新颖有效的组合。此外，丝网印刷和转印也为制基于MXene材料的器件提供了新的解决方案。   研究内容： 本文旨在为读者提供基于MXene材料的打印和应用近期研究进展的最新回顾，重点聚焦于三个部分，即形成可打印的基于MXene的墨水、当前MXene的打印方法以及打印制件的应用。最后，展望了未来的挑战和研究机会，旨在为该领域的研究人员提供有用的信息。 图1 MXene材料的发展历史 第二部分综述制备可打印MXene墨水的相关信息，其中包括MXene油墨的主要组成部分、活性组分（MXene）制备方法、并探讨了目前主要制备方法的优缺点。 图2 液态MXene打印墨水 第三部分总结并讨论了可应用于MXene材料的打印方法，相关的印刷技术包括喷墨印刷、直接墨水书写、丝网印刷、转印和立体光刻。我们总结了这些技术在MXene基材料的应用，及其各自的优点和缺点。 表1 当前主流打印方法对比 第四部分我们回顾了基于MXene的材料打印研究的最新进展以及在储能和传感器中的应用。基于MXene的材料在超级电容器、电池、传感器、催化剂、光电子学等领域具有巨大的应用潜力。印刷技术能够为制造基于MXene的功能器件开辟新时代。随着MXene液体剥离技术的快速发展，以及MXene油墨稳定性和流变性能的提高，打印MXene的应用潜力将被进一步释放。 图3 储能领域应用 图4 传感器领域应用 最后，我们提出了打印MXene基材料这一研究领域的总结与展望。 作者介绍 吴鑫  副教授 中山大学 吴鑫，副教授，硕士生导师。主要从事纳米二维材料电化学、3D打印等方面的应用研究工作。目前以第一作者/通讯作者在Small，CARBON, Applied Physics Letters, Journal of Nuclear Materials 等材料化工类著名期刊发表高水平论文30余篇，出版英文专著一部（Springer Theses...

特刊详情 客座编辑 林金泰，北京大学 蔡闻佳，清华大学 刘宇，中国科学院 聂绩，北京大学 乐旭，南京信息工程大学 王涛，中科院青藏高原研究所 张强，清华大学 主题范围 Changes in climate and atmospheric environment are among the most pressing challenges the world is facing. China is a major country of emissions and carbon sink. China’s future development towards carbon neutrality will not only mean fundamental changes in its carbon emissions and sinks but...

本篇研究来自电子科技大学邢丽丽课题组。本文利用T-ZnO和PVDF复合物粘附在柔性织物衬底上实现了一种自驱动氧传感口罩。其传感机制是基于T-ZnO/PVDF的压电/气敏耦合效应。传感单元不需要任何外部电源，将呼吸能量转化为压电信号，该信号随氧气浓度的增加而增加。该器件集成了数据处理和无线蓝牙模块，可以将呼出的氧气信息传输到移动设备，实现对肺部氧合能力的实时监测。 文章介绍 A wearable exhaling-oxygen-sensing mask based on piezoelectric/gas-sensing coupling effect for real-time monitoring and uploading lung disease information Yuxing Lin（林昱星）, Zhihe Long（龙之河）, Shan Liang（梁珊）, Tianyan Zhong（钟天延） and Lili Xing（邢丽丽） 通讯作者： 邢丽丽，电子科技大学   研究背景： 最近，新型冠状病毒COVID- 19在全球蔓延，给全球医疗体系带来了前所未有的挑战。患者吸入的气体不能进入肺泡，发生缺氧，会出现气短、呼吸困难，严重时会出现呼吸衰竭、急性呼吸窘迫综合征等。因此，血氧饱和度是评价新冠肺炎患者是否存在呼吸衰竭的指标。多项研究表明，与人体呼出氧气浓度密切相关的全身耗氧量是血氧饱和度的一个指标，监测呼吸过程中氧浓度的变化已成为一种可行的方法。然而传统氧浓度计具有一定局限性，如成本高、体积大、结构复杂、需要外接电源等。对于庞大的患者群体，迫切需要一种低成本、便携、方便的实时监测方法。因此，该工作提出了用于实时监测肺部疾病的自驱动可穿戴氧气传感口罩，可扩展临床之外的肺部诊断方式。   研究内容： 图1. 自驱动可穿戴式氧气传感口罩结构和工作机理示意图。 本文采用T-ZnO/PVDF复合材料粘附在口罩内衬织物衬底上，基于压电/气敏耦合效应，不需要任何外部电源，构建自驱动氧气传感单元，实时监测呼出氧气浓度，传感信息可通过蓝牙模块无线上传并传输至外部设备，反映肺部的氧合能力，为临床之外的肺部诊断设计一种新的策略。   图2. T-ZnO/PVDF/织物气体传感单元的性能。 图2是T-ZnO/PVDF/织物气体传感单元的性能。在密闭容器中控制氧气浓度进行测量，模拟呼气时的气流导致的织物形变，在不同氧气浓度下得到了不同幅度的压电信号。人体呼出气体的氧浓度范围大致在10~20%之间，得到响应值最高为52.10%。重复性研究表明，其具有良好的稳定性和重复性，这些结果证明，该传感单元的高灵敏度能够实现对人体呼吸呼出氧浓度的实时监测。   图3为应用研究。整个系统由氧传感单元、探测器、RC低通滤波器和蓝牙模块组成。传感和蓝牙模块置于口罩中间层。无信号传输时，无线接收器的LED灯亮。随着人肺氧合水平降低，传感信号增大到阈值，蓝牙模块向接收器发出信号，LED灯灭。运动后过量耗氧量(EPOC)导致肺内氧合水平升高，耗氧量增加，呼出氧浓度降低。测量结果发现，两名志愿者佩戴口罩运动后呼出氧气浓度均从16%下降到15%(经商业设备证实)，表明该传感单元对氧浓度的检测灵敏度高，能满足人体呼出氧浓度变化小的要求。 作者介绍 邢丽丽  教授 电子科技大学 邢丽丽，电子科技大学物理学院，教授，博士生导师。四川省“峨眉计划”特聘专家，四川省学术和技术带头人后备人选。长期围绕纳米能源与新型传感方面开展研究，主持完成科研项目10余项，在SCI期刊上发表学术论文122篇（第一或通讯作者71篇），SCI他引超过4700次，h指数41，授权发明专利2项，获得省科技奖自然科学类二等奖1项。 期刊介绍 Journal of...

本篇研究来自东南大学张磊、崔铁军课题组。本论文提出了一种联合时频分析方法来计算时空编码数字超表面的空间-频谱特性，有助于研究者们更加深入地了解时空编码数字超表面如何在空域、时域和频域灵活地调控电磁波，对安全通信、雷达成像、智能感知等应用具有一定指导意义。 文章介绍 Joint time-frequency analysis on space-time-coding digital metasurfaces Xiao Qing Chen, Lei Zhang（张磊）, Yi Ning Zheng, Zhuo Ran Huang, Jing Cheng Liang and Tie Jun Cui（崔铁军） 通讯作者： 张磊，东南大学 崔铁军，东南大学   本论文提出了一种联合时频分析方法来计算时空编码数字超表面的空间-频谱特性。图1展示了一个由16列1比特可编程单元组成的反射型时空编码数字超表面，其中每一列单元的反射相位可以根据相应的编码状态在不同相位之间动态实时切换。时空编码数字超表面的时域和频域散射特性是由傅里叶变换联系在一起的，因此分别从时域和频域分析中可以得到相同的反射波空间-频谱分布。通过理论推导和实例说明，该工作揭示了时空编码超表面时域和频域响应之间的联系：在时域提出了瞬时远场散射模式来分析不同角度反射波信号的时域波形和频谱特性；在频域利用复等效激励来计算谐波波束的方向图。论文所提出的方法有助于研究者们更加深入地了解时空编码数字超表面如何在空域、时域和频域灵活地调控电磁波，对安全通信、雷达成像、智能感知等应用具有一定指导意义。 图1 反射型时空编码数字超表面的谐波调控示意图   研究背景： 近年来，时变超材料和时空超材料引起了物理学、电磁学、光学和材料领域的研究人员的极大兴趣。时变超材料提供了一个额外的时间维度来扩展电磁调制的自由度，结合空间调制，具有时空变化参数的时空超材料可以实现对电磁波的复杂操控。与此同时，具有可编程特性的数字超表面十分适用于时空调制，时空编码数字超表面集能量辐射和信息调制功能于一体，可以在多维度域内同时调控电磁波和数字信息，已经被成功用于谐波波束调控、多域散射缩减、非互易效应、任意多比特相位生成、频谱伪装、数学运算以及无线通信等实际应用场景中，但是其瞬时响应以及时域和频域特性之间的联系尚未被研究。 期刊介绍 JPhys Photonics 2022年影响因子：3.8  Citescore: 7.2 JPhys Photonics（JPPHOTON）是一本新出版的开放获取期刊，面向物理学中应用于光子学各个领域的高质量研究。期刊包含光子学研究中最重要和最激动人心的进展，着重关注跨学科和多学科的研究。涵盖领域包括：生物光子学和生物医学光学；能源和绿色技术应用，包括光伏；成像、检测和传感；光物质相互作用；光源，包括激光器和LED；纳米光子学；非线性和超快光学；光通信和光纤；光数据存储；光电子学、集成光学和半导体光子学；光子材料、超材料和工程结构；等离子体技术；传播，相互作用和行为；量子光子学和光学等。

特刊详情 客座编辑 Tim van Emmerik，荷兰瓦赫宁根大学与研究中心 Daniel González-Fernández，西班牙加迪斯大学 Charlotte Laufkötter，瑞士伯尔尼大学 Martin Blettler，阿根廷国家科学技术研究委员会 Amy Lusher，挪威卑尔根大学 Rachel Hurley，挪威水研究所 Peter Ryan，南非开普敦大学   主题范围 Plastic pollution of terrestrial and aquatic ecosystems is of growing concern, due to its negative impact on ecosystem health and human livelihood. Examples include ingestion and entrapment of aquatic life, economic losses through damage to vessels,...

IOP出版社每月从年度重点期刊中精选一系列文章供大家阅读，这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 精选文章 Environmental Research Letters Ocean dynamics and biological feedbacks limit the potential of macroalgae carbon dioxide removal Manon Berger, Lester Kwiatkowski, David T Ho and Laurent Bopp   Uncompensated claims to fair emission space risk putting Paris Agreement goals out of reach Gaurav Ganti, Matthew J Gidden, Christopher J Smith, Claire Fyson, Alexander Nauels,...

本路线图由来自瑞典哥德堡大学的Giovanni Volpe教授、意大利CNR-IPCF的Onofrio MMarago教授、澳大利亚昆士兰大学的Halina Rubinsztein-Dunlop教授和中国北京航空航天大学的王帆教授以及其他研究人员合作完成。本文总结了自20世纪70年代Arthur Ashkin首次利用激光捕获微粒这一开创性工作以来光镊在生命科学、物理学和工程学等领域的主要研究成果。该路线图从理论基础到光镊设计和搭建，为目前涉及光力和光镊的研究提供了见解，它还为从生物物理学到太空探索等广泛的研究领域提供了广阔的应用前景。 文章介绍 Roadmap for optical tweezers Giovanni Volpe, Onofrio M Maragò, Halina Rubinsztein-Dunlop, Giuseppe Pesce, Alexander B Stilgoe, Giorgio Volpe, Georgiy Tkachenko, Viet Giang Truong, Síle Nic Chormaic, Fatemeh Kalantarifard, Parviz Elahi, Mikael Käll, Agnese Callegari, Manuel I Marqués, Antonio A R Neves, Wendel L Moreira, Adriana Fontes, Carlos L Cesar, Rosalba Saija, Abir Saidi, Paul Beck, Jörg S Eismann, Peter Banzer, Thales F D Fernandes, Francesco Pedaci, Warwick P Bowen, Rahul Vaippully, Muruga Lokesh, Basudev Roy, Gregor Thalhammer-Thurner, Monika Ritsch-Marte, Laura...

This review summarizes recent works, all using a specific atomistic approach, that predict and explain the occurrence of key features for neuromorphic computing in three archetypical dipolar materials, when they are subject to THz excitations. The main ideas behind such atomistic approach are provided, and illustration of model relaxor ferroelectrics, antiferroelectrics, and normal ferroelectrics are...

本篇研究来自北京计算科学研究中心薛鹏课题组。基于量子行走，本文介绍了一种通用量子路由器。按照目标位置，控制硬币抛掷，量子态可从单一位置确定性的传输到多个位置的相干叠加。在线性光学系统中，实验演示了双光子纠缠态确定性地传输到二十五个位置的相干叠加。这一量子路由器具有高效率和确定性的优点，是迄今为止开发的最高效的光量子路由器，可应用于构建量子网络。 文章介绍 Demonstration of a photonic router via quantum walksHuixia Gao（高慧霞）, Kunkun Wang（王坤坤）, Dengke Qu（曲登科）, Quan Lin（林泉） and Peng Xue（薛鹏） 通讯作者： 薛鹏，北京计算科学研究中心   研究背景： 在量子信息处理中，量子计算和量子通信展现出巨大的优势，而构建量子网络，实现多节点量子计算及量子通信更是备受关注。在量子网络的构建中，通过量子路由，实现多节点间的相干连接尤为关键。但不同于经典的路由器，量子路由器的实现具有极高的挑战性。这不仅是因为量子态的脆弱性导致确定性的量子路由方案不易实现，还由于在不破坏量子态的前提下，可控的传输量子态到多个位置的相干叠加尤为困难。而在量子行走中，存在多个可控自由度，行走者携带硬币态可从某一位置出发传输到多个位置的相干叠加。基于这一优势，本文旨在利用量子行走，探索一种可控、可扩展的确定性量子路由器的实现方案，并实验证明其路由的高度可控性和高效性。   研究内容： 量子路由器需要满足五个标准：（1）量子态可从一端输入，从任意位置输出；（2）输入和输出的量子态需保持一致；（3）输出端，量子态可存在于多个不同位置的相干叠加；（4）不存在后选择过程；（5）耗费资源越少，路由器越好。针对这五个标准，本文基于离散时间量子行走，提出一种通用量子路由器实现方案。不同于以往量子路由方案中采用控制量子比特，该方案将传输位置控制信息编码到硬币抛掷操作，行走者携带硬币态可确定性的从单一位置出发，可控的传输到多个不同位置的相干叠加。该方案不仅可以传输单量子比特态，还可以应用于实现多量子比特纠缠态的传输；且在传输过程中，满足上述五项标准，实现通用量子路由器。在此基础上，利用线性光学系统，该工作搭建了迄今为止最高效的光量子路由器。通过编码待传输纠缠态于双光子偏振态，设计量子行走实验实现装置，确定性的实现了传输量子纠缠态到二十五个位置的相干叠加。实验还通过控制硬币抛掷，实现了按需纠缠态的相干传输，通过量子态层析及量子过程层析技术，证明了传输前后量子态的不变性。该方案不仅能够应用于线性光学系统，也可应用于其他诸如超导量子线路、光波导及离子阱等系统，为实现量子网络提供有效工具。 作者介绍 薛鹏  教授 北京计算科学研究中心 薛鹏，北京计算科学研究中心教授。在国际顶级学术期刊包括：Nature Physics, Physical Review Letters, Nature Communications等以第一/通信作者发表学术论文130余篇。入选江苏省六大人才高峰（2016），江苏省杰出青年基金（2016），国家杰出青年科学基金（2020）。获得2021年度王大珩光学奖中青年科技人员奖，2022年度中国光学学会光学科技奖一等奖（第一完成人）。 期刊介绍 New Journal of Physics 2021年影响因子：3.716  Citescore：6.7 New Journal of Physics（NJP）是IOP和德国物理学会共同出版，是第一本发表物理学各领域原创性研究成果的开放获取期刊。NJP是发表优秀科学论文的领军刊物，吸引了全球物理学界的关注和兴趣，内容范围包括：量子物理（包括量子信息）；原子和分子物理；光学、光子学和器件物理；凝聚态；纳米科学；软物质和聚合物；化学物理学；统计力学、热力学和非线性系统；流体动力学；等离子体；核和粒子物理学；宇宙学和天体物理学；生物和医学物理学；地球科学和地球物理学等。