科普文章

本篇研究来自淮北师范大学安徽省污染物敏感材料与环境修复重点实验室代凯、张金锋课题组。本研究首先通过二乙烯三胺杂化CS构筑新型有机-无机杂化CS-D材料，进一步构筑梯形PCN/CS-D光催化剂，在提高载流子转移效率同时，能够有效提高光催化制氢的循环使用寿命，在光催化领域具有广泛的应用前景。 文章介绍 Microwave-assisted synthesis of organic–inorganic hybrid porous g-C3N4/CdS–diethylenetriamine S-scheme heterojunctions with enhanced visible light hydrogen production Dongdong Chen(陈冻冻), Xiaofeng Li(李萧风), Kai Dai(代凯), Jinfeng Zhang(张金锋) and Graham Dawson 通讯作者： 代凯，淮北师范大学安徽省污染物敏感材料与环境修复重点实验室 张金锋，淮北师范大学安徽省污染物敏感材料与环境修复重点实验室   研究背景： 随着当今社会的不断发展和各种能源的持续消耗，寻找新的绿色能源极为紧迫。利用阳光分解水在催化剂作用下产生氢气成为当前环境和能源的解决方案。未来，绿色、低碳、可持续发展将成为科学合理的选择。我们应该携手共建可持续能源供应体系即绿色、低碳、高效、智能、多样化、共享，形成以能源消费为主的新格局。光催化水分解制氢技术可以将低密度的阳光能量转化为高密度的化学物质能源，在解决能源短缺的问题上具有深远的应用前景。氮化碳（CN）由于具有合适的带隙及导带位置，价格低廉，原料易得，合成简单得到了广泛的关注。但其光催化效率低，光激发过程中的电子空穴对易复合。为了提高可见光的利用率，利用多孔氮化碳（PCN）大比表面积的优点和与其他材料的复合形成梯形异质结是一条有前途的途径。近年来，由于其高光催化活性和窄带隙，硫化镉（CS）被认为是一种具有很高应用价值的可见光光催化材料。本研究首先通过二乙烯三胺杂化CS构筑新型有机-无机杂化CS-D材料，进一步构筑梯形PCN/CS-D光催化剂，在提高载流子转移效率同时，能够有效提高光催化制氢的循环使用寿命，在光催化领域具有广泛的应用前景。   研究内容： 制备 PCN/CS-D。10克尿素和3克硫脲在研钵中研磨，直到它们混合均匀，并且然后在马弗炉中加热至550°C 2小时。这将得到的黄色粉末研磨成块状CN。最后，通过超声波得到PCN纳米片。使用一种微波方法制备复合材料。反应釜中加入24毫升二乙烯三胺和12毫升高纯水，添加0.164克 CdCl2·2.5 H2O 和0.128克升华硫搅拌。之后，相应比例的碳氮化物粉末一起加入，反应釜搅拌1小时以上，然后 80°C 下在微波反应器中加热30分钟。得到的PCN/CS-D是用无水乙醇和高纯水洗涤三次，并通过离心收集。 XRD用于检测所得的晶体结构样品。在图中，2θ=24.807°, 26.507°, 28.182°, 43.681°, 47.839°和51.824°，对应于晶面（100）， (002), (101), (110), (103)和(112)；它与粉末衍射标准卡片 (JCPDS no.41–1049，空间群：P63mc(186), a=b=4.141nm, c=6.720nm）。纯PCN的衍射峰位于13.0°, 对应于三-s-三嗪单元(100), 和最强峰值27.2°是由于芳烃的层间堆积。XRD图谱中的黄色部分，当PCN与CS-D结合时，随着PCN的增加，最强峰的峰面积逐渐增加。...

特刊详情 客座编辑 Vasileios Koutsos，英国爱丁堡大学 Vincent Consonni，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学 主题范围 The use of nanomaterials and nanocomposites is rapidly increasing and covers a variety of industrial sectors from micro/nanoelectronics, optoelectronics, energy harvesting and storage, environment, chemical sensing, and cosmetics to structural materials, smart materials, coatings, biomedical devices and robotics. This focus issue aims to connect the fundamental studies with...

特刊详情 客座编辑 U C Kulshrestha，印度贾瓦哈拉尔·尼赫鲁大学 Md Mizanur Rahman，孟加拉国班加班杜谢赫穆吉布尔拉赫曼农业大学 T K Adhya，印度卡林加工业技术学院   主题范围 Nitrogen is the most abundant gas in the atmosphere. It is an important and essential element of our life. In order to make it biologically functional, the inert nitrogen is transformed into reactive nitrogen forms such as NH3, NO3- and NO2-. The...

我们很高兴地宣布，IOP出版社最新期刊Sustainability Science and Technology（SSTECH）现已开放投稿！这本全新的跨学科开放获取期刊将化学家、物理学家、材料学家和工程师联系在一起，共同创造一个更具可持续性的地球。 SSTECH期刊的独特性在于其专注解决方案。期刊将在更广泛的社会和经济背景下探索创新技术的发展。期刊上发表的每篇文章都必须展示其具有实现联合国可持续发展目标的潜力。 同时，我们的编委会成员由来自世界各地的的专家学者组成。其中来自中国的编委包括：上海交通大学张礼知教授、上海交通大学李浩副教授、台湾大学潘述元副教授等。 作为一家学会出版社，我们深知开放的出版环境对作者和读者的重要性。SSTECH期刊将在前三年内免除所有文章发表费用，消除出版障碍，让作者免费与全球读者分享他们的研究成果。 期刊介绍 Sustainability Science and Technology Sustainability Science and Technology（SSTECH）是一本跨学科的开放获取期刊，旨在介绍推动地球更可持续发展的科学、技术和工程进展。SSTECH期刊重点关注各科学和工程学科在环境、社会和经济这三大可持续发展支柱中取得的重要突破。

特刊详情 客座编辑 Cristina S. Richie，英国爱丁堡大学 Nancy S. Jecker，美国华盛顿大学医学院 Federica Lucivero，英国牛津大学 Gabrielle Samuel，英国伦敦国王学院 Emily Senay，美国西奈山伊坎医学院 Charles Dupras，加拿大蒙特利尔大学 Phil Mackie，英国阿伯丁大学 主题范围 According to a ground-breaking 2014 study in Environmental Research Letters, if healthcare were a country, it would be the 5th largest carbon emitter worldwide, with 2.0 gigatons of annual carbon emissions, representing 4.4% of the world’s emissions....

特刊详情 客座编辑 Sudhir Husale，印度科学与工业研究理事会 Vidya Nand Singh，印度科学与工业研究理事会 Xu Wang，澳大利亚皇家墨尔本理工大学 主题范围 Schematic of nanostructured materials and their highly sensitive photodetection capabilities, enabling the detection of light down to the single-photon level Over the past four to five decades, the detection of light has found extensive applications across diverse fields, including digital imaging, fibre-optic communications, metrology, material...

特刊详情 客座编辑 Ashlynn Stillwell，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Andrea Cominola，德国柏林工业大学 Cara Beal，澳大利亚格里菲斯大学   主题范围 Humans in residential, commercial, tourism, institutional, and other buildings consume water, energy, food, and other resources, such that the built environment represents an important sector impacting resource consumption and sustainability. In some built environment contexts, resource consumption data are limited due to different regulatory, technological,...

特刊详情 客座编辑 Thomas Hertel，美国普渡大学 Elena Irwin，美国俄亥俄州立大学 Steve Polasky，美国明尼苏达大学 Navin Ramakutty，加拿大不列颠哥伦比亚大学 主题范围 The UN Sustainable Development Goals (SDGs) represent “a universal call to action to end poverty, protect the planet and ensure that all people enjoy peace and prosperity, now and into the future.” Of the 17 goals, 8 are closely tied to essential food, land...

特刊详情 客座编辑 段海明，新疆大学 张蓓，新疆大学 吴钊峰，新疆大学 Ablat Abliz，新疆大学 郭继玺，新疆大学 孙耀宁，新疆大学 主题范围 This focus issue collection is part of the centennial celebration of Xinjiang University. This collection focuses on low-dimensional condensed matter physics and devices, including: the growth of semiconductor materials; surface/interface physics of semiconductor materials; all kinds of devices (sensing, energy, thermoelectric, spin-electron, optoelectronic, information, and...

特刊详情 客座编辑 张强教授，清华大学 刘岗教授，中国科学院金属研究所 李峰教授，中国科学院金属研究所 马建民教授，天津工业大学 鲁统部教授，天津理工大学 陆盈盈教授，浙江大学 主题范围 This focus collection brings together original research, review papers and perspectives from speakers and delegates at the international Energy Materials 2023 workshop (9-11 November 2023, Wenzhou, China) co-organised by the World Young Scientist Summit and IOP Publishing. Both the workshop and focus issue convene early career...

特刊详情 客座编辑 Nunzio Cennamo, 意大利坎帕尼亚大学-路易吉万维泰利 Luigi Zeni, 意大利坎帕尼亚大学-路易吉万维泰利 V V Raghavendra Sai , 印度理工学院 主题范围 An example of a summary on the designer’s choices of Plasmonic optical fiber (extrinsic and Intrinsic) transducers and receptors combinations so to realize custom bio/chemical sensor devices (in terms of detection ranges and targets). Recently, new sensor configurations, materials, and devices...

《物理世界》（PhysicsWorld）编辑团队筛选了今年上千项发布在杂志网站上的科学研究，最终评选出了今年十大科学突破，涉及天文学、医学物理、量子科学和原子物理等多个领域。评选标准除了《物理世界》在2023年有过报道之外，最主要的是三点： 重大科学理论进展； 对理论进展和/或现实应用具有重要意义的科学工作； 《物理世界》读者普遍很感兴趣的科学进展。 以下就是《物理世界》评选的2023年度十大突破，按在杂志网站上发布的时间排序。 在活体组织中创造电极 一种复杂的结合。在微电路上测试可注射凝胶。 色诺芬·斯特拉科萨斯（Xenofon Strakosas）、汉内·比斯曼斯（Hanne Biesmans）、玛格纳斯·贝里格伦（Magnus Berggren）和他们在瑞典林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学的合作者研发了一种直接在活体组织内创造电路的方法。将神经组织同电子设备结合起来是研究神经系统复杂电信号的一个新方向，我们也可以借助这种方式调节神经回路治疗疾病。然而，坚硬的电子设备与柔软的生物组织很容易出现错配的情况，进而破坏本就脆弱的生物系统。为了解决这个问题，这个瑞典的科学家团队利用可注射凝胶直接在生物体内创造柔软的电极。这些凝胶注射到活体组织中后，凝胶中的酶会分解生物体内的内源性代谢物，引发凝胶中有机单体的酶聚合，从而将其转化为稳定、柔软的导电电极。研究人员已经在斑马鱼和药用水蛭中验证了这个过程。他们把凝胶注射到这两种生物的活体组织中后，凝胶都在组织内聚合并生长成电极。 利用中微子研究质子结构 美国罗切斯特大学和加拿大约克大学蔡特金（Cai Tejin，音译）和他在费米实验室MINERvA小组中的合作者展示了如何从塑料靶散射的中微子中收集有关质子内部结构的信息。中微子是一种亚原子粒子，最出名的特征就是很少与物质发生相互作用。因此，当博士后研究员蔡特金提出可以观测塑料中的原子偶尔散射出的中微子时，自然引发了不少怀疑。这个研究团队面临的一大挑战是，如何观测单个质子（氢原子核）散射的中微子的信号——要知道，这种信号淹没在束缚在碳原子核中的质子散射的庞大中微子背景中。为了解决这个问题，研究团队模拟了碳原子散射中微子的信号，并且小心地从实验数据中减去了这些背景信号。蔡特金领导的这项研究既有助于我们深入了解质子结构，也提供了一种进一步认识中微子与物质作用方式的新技巧。 在玻色爱因斯坦凝聚（BEC）中模拟宇宙膨胀 德国海德堡大学西莉亚·威尔曼（Celia Vermann）、马库斯·奥贝撒勒（Markus Oberthaler），德国耶拿大学斯特藩·弗莱尔欣格（Stefan Floerchinger）和他们在西班牙马德里康普顿斯大学、德国波鸿鲁尔大学和比利时布鲁塞尔自由大学的合作者利用一种玻色爱因斯坦凝聚（BEC）系统模拟宇宙膨胀以及其中的量子场。在这个模拟系统中，凝聚代表宇宙，而在其中穿梭的声子则扮演了量子场的角色。这个研究团队通过改变BEC中原子的散射长度使得“宇宙”按不同速率膨胀，并且研究其中声子密度涨落的变化方式。宇宙学理论预测，类似的效应正是早期宇宙中潜在大规模结构的成因。因此，这种模拟宇宙可能会提供关于真实宇宙如何变成现在这种样子的有价值信息。 时间双缝 伦敦帝国学院的罗曼·蒂罗尔（Romain Tirole）和里卡多·萨皮恩扎（Riccardo Sapienza）及其合作者完成了时间维度上的杨氏双缝干涉实验。19世纪，托马斯·杨（Thomas Young）的光波干涉实验是物理学史上最有标志性的实验之一，并且在基础层面提供了对光的波动理论的支持。杨氏双缝干涉实验以及其他类似的实验都是利用空间中的一对窄缝实现干涉，而英国等地的这些研究人员证明，完全有可能利用时间尺度上的双缝实现等价效果。这种时间双缝实验需要固定动量、改变频率。如果在一种材料中，双缝一个接一个迅速出现又消失，就能让进入这种材料的波保持空间上的传播路径但在频率上分散出去。研究人员实现这个效果的具体方法是：快速且连续地开关两次半导体镜面的反射效应，并且沿着镜面反射的光的频率谱记录干涉图样。结果，他们看到不同频率的波（而不是空间上处于不同位置的波）之间发生了干涉。这项研究成果有多种应用，比如用于信号处理与通信或光计算的光开关。 数字桥使得遭受脊髓损伤的患者能再度自然行走 恢复控制。 连接大脑和脊髓的数字桥帮助瘫痪病人重新自然行走。 瑞士联邦理工学院（EPFL）的格雷戈尔·库尔蒂纳（Grégoire Courtine），EPFL、洛桑大学医院的约瑟琳·布洛赫（Jocelyne Bloch），CEA-Leti’s Clinatec的纪尧姆·夏尔维（Guillaume Charvet）以及合作者开发了一种连接大脑和脊髓的“数字桥”，使得瘫痪病人能重新站立并行走。脊髓损伤会切断大脑与负责行走的脊髓区域之间的联系，从而导致永久瘫痪。为了恢复这种联系，这个研究团队开发了一种大脑-脊髓接口，包括两个可植入系统：一个负责记录大脑皮层活动并读出用户想要移动下肢的意图；另一个负责用电作用刺激控制腿部运动的脊髓区域。研究人员在一名38岁男子身上测试了这个系统，这名男子10年前骑自行车时遭遇事故损伤了脊髓。完成植入手术后，数字桥使他能重新凭借直觉控制腿部运动，从而能站立、行走、爬楼梯，甚至穿越较为复杂的区域。 大规模量子网络的基本构件 奥地利因斯布鲁克大学本·兰扬（Ben Lanyon）以及其在本校和法国巴黎-萨克雷大学的合作者构筑了一种量子中继器，并且借助它通过标准电信光纤实现跨50千米的量子信息传输，进而实现了在单个系统中囊括长距离量子网络的所有关键功能。这个研究团队使用一对钙40离子制造他们的量子中继器，这对钙40离子在受到激光脉冲照射后会发射光子。接着，这些光子——每一个都与其“母”离子处于纠缠状态——就被转换成电信波长并沿着互相独立的多根25千米长光纤传输出去。最后，中继器交换两个离子的纠缠状态，使得两个纠缠光子相距50千米——50千米大致就是创建具有多个节点的大规模量子网络需要的距离。 第一张单原子X射线图像 美国阿贡国家实验室Saw Wai Hla，沃尔克尔·罗斯（Volker Rose）及其合作者利用同步加速X射线拍摄了单个原子图像。在此之前，使用同步加速X射线扫描隧道显微镜能够分析的最小样品尺寸是1阿克（1阿克=1*10-21千克），也就是大约1万个原子的大小。这是因为单个原子产生的X射线信号极其微弱，传统探测器的灵敏度尚不足以探测到如此微弱的信号。为了解决这个问题，研究团队在传统X射线探测器上增加了一个锋利的金属尖，使用时位置就在待研究的样本上方仅1纳米处。当锋利的金属尖在样本表面移动时，电子穿过金属尖与样本之间的空间，产生电流，这实质上就是检测到了每种元素独有的“指纹”。借助这项技术创新，这个研究团队得以将扫描隧道显微镜的超高空间分辨率同强X射线照明提供的化学灵敏度结合在一起。这项技术可以在材料设计中得到应用，并且也能在环境科学中发挥作用，比如大大提升追踪有毒物质的能力——即便有毒物质浓度极低，探测装置也能发现。 早期星系改变宇宙的确凿证据 EIGER合作团队使用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）找到了证明早期星系引发早期宇宙再电离的有力证据。再电离发生在大爆炸之后大约10亿年，主要是指氢气的离子化。这就使得如今的望远镜能够看到彼时氢气吸收的光。目前看来，再电离似乎发轫于局部气泡的生长及合并。这些气泡的来源则可能是各种辐射源，它们也可能来自星系中的恒星。EIGER研究人员使用JWST的近红外照相机查看了古老类星体发出的光。这些光此前穿过了早期宇宙离子化的气泡。这些研究人员发现，星系位置与气泡之间存在关联，这意味着这些早期星系发出的光确实是再电离的成因。 材料中的超音速裂纹 以色列耶路撒冷希伯来大学的王萌（Meng Wang，音译）、石松林（Songlin Shi，音译）和杰伊·芬恩伯格（Jay Fineberg）发现某些材料中的裂纹可以以超过声速的速度扩散。这个结果与此前基于经典理论的实验结果和理论预测相悖——经典理论认为，材料中的裂纹不可能以超音速扩散，因为材料中的声速反映了机械能能以多快的速度穿过这种材料。这个研究团队的观测结果或许表明，所谓的“超剪切”动力学机制确实存在。美国得克萨斯大学奥斯汀分校的迈克尔·马尔德（Michael Marder）在近20年前提出了这种机制，其背后的物理学原理与经典裂缝背后的原理迥然不同。 反物质不会违反引力效应 往下掉。 ALPHA-g的管状闪烁体正在欧洲核子研究中心（CERN）组装。 ALPHA合作组织证明反物质回应引力的方式与正常物质非常相似。物理学家使用欧洲核子研究中心（CERN）的ALPHA-g实验装置第一次直接观测到了下落中的反物质原子——由一个反质子和一个反电子构成的反氢原子。他们在一个长长的圆柱形真空舱室中完成了实验。实验前，研究人员首先在真空舱室中把反氢原子束缚在一个磁阱中。实验开始后，磁阱释放反氢原子，并且允许它们在真空舱室壁上湮灭。这个研究团队发现，凐灭发生的位置比施放反氢原子的位置低。即便考虑到反氢原子的热运动，还是能得出反氢原子下落的结论。有意思的是，反氢原子的引力加速度大约是正常物质的75%。不过，这个测量结果的统计学显著性较低，但它仍然打开了标准模型之外全新物理学理论的大门。 荣誉提名——聚变能突破 在美国国家点火装置（NIF，耗资35亿美元）工作的物理学家在2022年年末成功在实验室中实现“点火”。因为当时《物理世界》已经评选出了2022年度十大科学突破，且这项成就显然无法参加今年的评选，所以《物理世界》在此授予其荣誉提名奖。2022年12月13日，实验室研究人员宣布，受控核聚变反应中产生的能量超过了为使反应发生输入的能量，也即实现“点火”。在2022年12月5日开始的激光轰击中，一种含有两种氢同位素的微小颗粒释放了315万焦耳的能量——而为发射激光输入的能量是205万焦耳。NIF能净收获能量是激光聚变发展史上的一个里程碑。 ——《世界科学》编辑部策划编译