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  随着能源需求的不断增长,存在于河水与海水的交界处的盐差能(也被称为蓝色能源)作为一种储量大、方便获取的能源受到了科学家们的极大关注。反向电渗析技术(RED)是一种具有广阔前景的盐差能获取方法,它是通过捕获自然水域中不同水体间的吉布斯自由能来获得持续的电能输出。RED体系中最关键的组件就是离子交换膜。通过提升膜材料的性能来获得更高的更稳定的能量捕获成为众多科研人员努力的方向。以膜为基础的纳米流体系统和纳米流体技术在纳米微环境中表现出良好的离子输运调控能力,这为获取盐差能带来了新的思路。  在前期的理论研究基础上,为进一步提高盐差能转换电能性能,中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室研究员闻利平团队以天然的蚕丝为原料,经过多步处理获得蚕丝纳米纤维,进而组装成蚕丝纳米纤维膜。将这种带有负电荷的蚕丝膜与电荷电性可调(pH响应)的氧化铝膜进行复合组装成异质复合膜,用于盐差能的捕获。  实验结果显示,该复合膜比单一的膜在能量转换性能上有了明显的提高,通过理论模拟展示了复合膜所具有独特的离子传输与能量捕获的优异特性。复合体系在50倍的盐度梯度下输出的能量密度达到2.86W/m2。  此外,实验结果表明,这种具有孔道结构、化学组成和表面电势非对称的复合膜能够有效促进离子的输运。该膜在较宽的pH值范围内具有较宽的工作环境,特别是在碱性溶液中,复合膜展现出优异的能量转换性能,这为将复合膜应用于工业废水能量提取奠定了基础。值得注意的是,得益于β折叠在蚕丝蛋白的丰富含量以及复合膜之间的氢键作用,该膜材料表现了长时间稳定性,这也为实际应用奠定了基础。  相关工作近日以长文形式发表于《自然-通讯》(Xin,W.etal.High-performancesilk-basedhybridmembranesemployedforosmoticenergyconversion.Nat.Commun.2019,10,3876-3885),文章第一作者为辛伟闻和张振,通讯作者为闻利平和孔祥玉。此外该工作也申请了国家发明专利(专利号:201811524533.4)。  论文链接 图1.盐差发电示意图 图2.复合膜的组装过程 图3.复合膜优异的离子传输性能以及高的功率密度输出

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  傅里叶叠层成像(FPM)是近年提出的一个可以获得大视场、高分辨率图像的测量方法。FPM的装置类似光学显微镜,只是将光源替换成一个LED阵列,通过按特定顺序点亮单个LED照明时在相机端获得一系列低分辨率(LR)图像,由于不同低分辨率图对应着样本频谱中的特定子区域,故可以通过优化算法在频域中将低分辨率图片的信息进行融合,获得超出系统物镜极限分辨率并保留其原有视场的高分辨率振幅和相位图片。  用于FPM的传统算法(如GS、AS)通常将系统的传递函数默认成相干传递函数(CTF),即认为系统的成像过程为相干成像。然而由于LED光源的部分相干性以及系统中的像差使得简单的采用CTF作为传递函数将影响算法的收敛性和鲁棒性,导致其出现收敛错误,使重建高分辨率图片的质量偏低,这种错误在像差较大的边缘视场处尤为明显。  为了解决该问题,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室液晶光学课题组提出了基于神经网络结构的恢复算法(FINN-P),并将光瞳函数的恢复过程嵌入其中。该算法可以正确地恢复出系统的光瞳函数并以此对高分辨率图进行重建,提升了算法的鲁棒性,降低了光源的相干性以及系统像差对重建结果带来的影响,并成功地解决了传统算法在视场边缘处会出现收敛错误的问题。对分辨率板和实际生物样本图片使用该算法处理后,图像质量有了明显提高。课题组孙铭璐、李大禹、穆全全等将相关结果以NeuralnetworkmodelcombinedwithpupilrecoveryforFourierptychographicmicroscopy为题发表在Opt.Express(2019年,27卷,17期,24161-24174)上。    论文链接装置示意图对分辨率板图片使用该算法的处理结果对实际生物样本图片使用该算法的处理结果

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  群落稳定性是植物群落结构与功能的一个综合特征,直接关系到生态系统服务功能的发挥。近年来,在全球气候变暖的背景下,极端干旱事件的发生频率和强度不断加剧,对生态系统的结构和功能产生了巨大影响。植物群落稳定性与植物群落的功能属性或性状紧密相关。群落功能多样性实质上反映了群落内植物间的功能属性差异,因此解析群落中物种内和物种间性状变异能够有效地反映群落内植物的相互作用以及植物对新环境的适应,是理解群落稳定性与功能性状格局关系的新视角,但目前相关数据和证据还比较缺乏。  中国科学院沈阳应用生态研究所的相关科研人员以内蒙古草原为研究对象,依托极端干旱联网实验平台,在连续3年干旱处理和生态学研究基础上,以物种内和物种间功能性状为视角来探讨群落功能性状应对干旱事件的内在过程与机理,对比分析植物群落功能性状的响应能力在不同草原类型之间的差异及其原因。研究发现,群落性状变异对干旱的敏感性高于群落性状均值,说明性状的变异比性状本身更能反映植物群落对干旱的响应能力。干旱地区植物群落性状变异对干旱处理的响应能力更强,该过程主要受种内性状变异的驱动,然而,植物群落性状变异随天然干旱梯度的增加而逐渐升高,该过程主要由种间变异引起。该研究以物种内和物种间功能性状为视角,强调了群落性状变异在预测生态系统结构和功能应对干旱事件方面的重要性。  该研究成果以Longtermexperimentaldroughtalterscommunityplanttraitvariation,nottraitmeans,acrossthreesemiaridgrasslands为题发表在PlantandSoil期刊上。生态化学计量学组博士雒文涛为第一作者,研究员王正文和左小安为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金等的支持。  文章链接  图:植物群落功能性状变异对干旱响应。C:对照;D:干旱。Low:轻度干旱样点;Medium:中度干旱样点;High,重度干旱样点。SLA,比叶面积;LDMC:叶干物质含量;LNC:叶片氮含量;LPC:叶片磷含量

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  紫外(200nm<λ<400nm)非线性光学晶体是全固态激光器输出紫外激光的关键元件,近几十年被国内外科研机构广泛研究。目前,266nm(Nd:YAG四倍频)紫外激光输出主要由β-BaB2O4(β-BBO)和CsLiB6O10(CLBO)两种晶体实现。然而,β-BBO晶体过大的双折射率及CLBO晶体的潮解性,导致这两种晶体仍无法满足该波段激光输出的需求。因此,探索新型四倍频紫外非线性光学晶体是十分必要且迫切的。  KBe2BO3F2(KBBF)晶体能够实现Nd:YAG的直接六倍频深紫外激光(λ=177.3nm)输出,其优异光学性能得益于它结构中[Be2BO3F2]∞层的平行排列。然而,阴离子基团的层状平行排列,也导致了KBBF晶体具有层状生长习性而无法生长较厚的晶体。此外,KBBF晶体原料含有剧毒BeO也为晶体生长带来了极大挑战。中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈团队以KBBF晶体为原型,成功获得了一种无毒、无层状习性的紫外非线性光学晶体Zn2BO3(OH),该晶体在结构上保留了对性能有益的KBBF层状结构,并用Zn替换KBBF晶体中的Be使该材料无毒性。同时,消除了KBBF晶体中导致层状生长习性的层间离子,从而使晶体生长习性显著改善。Zn2BO3(OH)晶体性能优异,具有大倍频效应(KH2PO4的1.5倍)、宽透过范围(紫外截止边204nm)、合适的双折射率(可见光区约为0.067),计算相位匹配波长为248nm,是具有潜力的紫外非线性光学材料。  相关研究成果发表在《先进科学》(Adv.Sci.,DOI:10.1002/advs.201901679)上,进一步研究评估工作正在进行中。  该研究获得科技部、国家基金委和中科院的大力支持。  论文链接 Zn2BO3(OH)的结构演变:从KBBF到C2-Be2BO3F(C2-BBF)再到Zn2BO3(OH),保留优势层状结构的同时,实现层间作用力增强与无毒化的进步。

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  反常霍尔效应是最基本的电子输运性质之一。虽然反常霍尔效应早在1881年就被EdwinHall发现,但其微观机制的建立却经历了一百余年的漫长历程。本世纪初,牛谦等人的理论工作揭示了反常霍尔效应的内禀机制与材料能带结构的贝里曲率有关,并得到了广泛的实验支持,反常霍尔效应也因此成为当今凝聚态物理研究的一个重要手段。在近年来受到广泛关注的固态拓扑体系研究中,反常霍尔效应也是被研究的焦点之一。  然而,迄今为止所有的实验结果都基本使用单粒子图像下的输运理论进行解释。在理论上,仅有个别小组研究过电子和电子之间的多体相互作用是否会影响反常霍尔电导。二十多年前,Wolfle等人通过理论计算指出,对于斜散射和边跳这两个非内禀机制,电子-电子相互作用不会对反常霍尔电导产生任何量子修正,这与电子-电子相互作用能在低温下显著地改变纵向电导率和电阻率截然不同。至于内禀机制下电子-电子相互作用能否改变反常霍尔电导,理论上还没有定论。  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室李永庆课题组(N08组)博士生杨帅和林朝镜(现为日本东京工业大学博士后),与极端条件重点实验室EX10组研究员石友国和博士生伊长江,以及北京大学物理学院博士后李治林等合作,在铁磁半导体HgCr2Se4中发现反常霍尔电阻和反常霍尔电导在超过两个数量级的温度范围内(0.02-2K)对温度的平方根(\(\sqrt{T}\))具有明显的线性依赖关系,而且不能用现有的理论解释。研究团队还观察到HgCr2Se4样品的纵向电阻率和正常霍尔电阻率也呈现出\(\sqrt{T}\)的温度依赖关系,但此二者可用Altshuler等人发展的电子-电子作用理论进行定量的描述。这些特征以及在高达15T磁场中的进一步电子输运测量表明,极低温下在HgCr2Se4中观察到的巨大反常霍尔电导修正不太可能来源于弱局域化效应,电子-电子相互作用的贡献值得在理论上进行深入考虑。  上述实验结果的获得受益于接近零温条件下HgCr2Se4在载流子浓度低至1015-1018cm-3时仍能保持金属导电性,反常霍尔效应研究因此能被拓展到一个传统铁磁金属或半导体无法达到的参数空间。该工作的合作者还有澳大利亚新南威尔士大学教授DimitrieCulcer。  相关实验工作近期发表于《物理评论快报》(S.Yang,Z.L.Lietal.,PhysicalReviewLetters123,096601(2019))。该工作得到科技部国家重点研发计划、科技部国家基础研究计划、国家自然科学基金、中科院先导B类专项和国家博士后科研基金创新人才培养计划的支持。  文章链接图1.Hg的晶体结构图(a)及实验中使用的单晶照片(b,c)图2.HgCg2Se4中反常霍尔效应的反常温度依赖关系。(a)低温下纵向电阻率ρxx的温度依赖关系;(b)纵向电导率σxx对\(\sqrt{T}\)具有线性依赖关系,其斜率不随磁场变化;(c)不同温度下的反常霍尔电阻率ρAH;(d)纵向电阻率、正常霍尔电阻率和反常霍尔电阻率都呈现\(\sqrt{T}\)型的温度依赖关系,但反常霍尔电阻率的相对零温数值的变化率超过前二者约两个数量级。反常霍尔电导率的相对变化率具有相近的数值。

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  我国白酒企业发展迅速,酿酒后会积累大量酒糟。有研究表明,每生产1吨白酒,就会产生10吨酒糟,大量酒糟堆积会占用土地资源,产生恶臭及渗滤液污染环境,因此需要对其进行有效处理。茅台酒糟具有pH低、湿度大、有机酸含量高、且含有一定量的稻壳等特点,正好适宜用作厌氧消化产生物气。厌氧消化不仅能够产生清洁能源生物天然气,而且还能使得酒糟减量化,环境无害化。厌氧消化后产生的高稻壳沼渣也可进一步进行水热碳化处理生产高值生物炭,实现减量化、无害化与资源化利用。  中国科学院成都生物研究所硕士研究生敖天杰在李东的指导下,开展茅台酒糟高温厌氧消化性能及其微生物群落分析研究。在厌氧消化过程中,通过对各种气相指标(生物气含量)、液相指标(氨氮、碱度、挥发酸含量)的连续监测分析,评估系统在不同调控措施(沼液不回流、沼液回流、促进剂添加、接种液添加)下的厌氧消化性能。研究结果表明,在有机负荷为3gVS/(L·d)以及沼液不回流的条件下,该高温厌氧消化体系能稳定运行,其池容产气率能达到1.30L/(L·d)。在沼液回流不加水稀释条件下,茅台酒糟中高含量的乳酸、乙酸以及琥珀酸会抑制产甲烷菌活性,导致系统酸化。酸化后的系统很难通过一系列的调控措施恢复稳定。通过微生物多样性分析表明,Defluviitoga,Hydrogenispora,Acetomicrobium和CandidatusCaldatribacterium为主要的产酸菌,Methanothermobacter和Methanosarcina为主要的产甲烷菌。沼液回流以及添加接种液均能明显影响微生物群落结构,而添加促进剂对微生物群落结构无显著影响。  该研究得到国家重点研发计划课题、西部之光“西部青年学者”项目A类、中科院青年创新促进会、中科院国际合作局对外合作重点项目等的支持。相关成果发表在Energy&Fuels期刊上。  论文链接

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