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  自1960年世界上第一台泄漏噪声相关仪问世以来,泄漏噪声检测系统有了很大改进,目前,噪声相关仪已成为管网监测中必备的检测设备。其中基于泄漏噪声信号的相关检漏法在供水管道泄漏检测中应用得最为普遍。为维护管网安全运营,管道泄漏检测与定位新技术、新产品一直是国内外研究者关注的热点。  多数泄漏噪声相关仪研发商认为泄漏噪声信号的感知性能是决定漏点定位精度的关键因素之一。为揭示检测信号的振幅信息对漏点定位的影响规律,中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室研究员高艳以及巴西圣保罗州立大学教授MikeBrennan等科研人员共同开展了管道泄漏噪声信号振幅失真(削波或量化)对相关检漏法性能影响的理论、数值和实验研究。  相关研究成果近期在线发表于国际期刊JournalofSoundandVibration。  基于埋地供水管线泄漏所激发的管内声压和管壁振动的理论模型,研究人员引入SIGNUM函数对这两类检测信号进行削波/极性化处理,同时有效保留了信号中的过零点信息(图1);结合VanVleck早期提出的削波信号理论和随机电报信号理论,建立理论模型并推导出削波信号的互相关函数(CCF)和互谱密度(CPSD)的解析解和近似解;阐明了振幅失真对相关检漏法性能的影响规律。  研究结果表明,当保留噪声信号的过零点信息时,即使发生严重振幅失真,也能得到准确的时延估计,从而实现漏点精准定位。如图2所示,分析PVC管道漏水检测的声压和加速度信号可见,削波对互相关系数影响微乎其微。  该研究成果对泄漏噪声相关仪的研制具有重要指导意义,即自动增益控制电路以及多位AD转换器并非设计关键;当泄漏噪声不小于AD转换器的最小分辨电压时,即可实现准确的时延估计。  该研究受国家自然基金(No.11774378)以及FAPESP,SABESP资助。  论文链接图1实测泄漏噪声信号与削波信号(图/中科院声学所)图2实测泄漏噪声信号与削波信号的互谱、相位谱和互相关系数(图/中科院声学所)

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  生物炭是指由生物质在完全或部分缺氧状态下低温(<700℃)热解生成的一类富含碳、高度芳香化的固态物质。生物炭因其制备原料来源广泛、比表面积大、孔隙发达等特点在水污染控制和土壤污染修复等领域具有良好的应用前景。目前生物炭在实际应用中主要存在以下问题:1.生物炭粉末无法从水或土壤中快速有效分离,使用后的生物炭粉末易造成二次污染;2.高温热解制备过程会导致生物炭表面含氧官能团的分解,因而其对重金属的吸附去除性能有限。如何实现生物炭与水体的快速分离以及提高生物炭的吸附性能是生物炭材料大规模应用的重大挑战。   基于此,中国科学院城市环境研究所纳米环境功能材料研究组(付明来研究组)以MnO2改性稻壳炭为基础,聚丙烯酰胺凝胶的三维网络结构为负载媒介,实现了生物炭的凝胶化成型,同时利用表面活性剂发泡在凝胶内部制造丰富孔隙,最终成功构建了改性生物质炭负载的三维多孔宏观材料(MBCG)。该合成方法简单快捷,价格低廉,且易于放大生产。实验结果表明,制得的材料具有丰富的吸附位点和内部孔隙结构,呈现出良好的重金属吸附性能,其对Cd(II)和Pb(II)的Langmuir最大理论吸附量可达到84.8和70.9mg·g-1,吸附性能甚至高于改性后的生物炭粉末。生物炭的引入使凝胶结构的热稳定性能和力学性能均得到显著提升。此外,宏观材料MBCG有效解决了生物炭粉末难以回收循环的问题,并具有良好的结构稳定性。在五次吸附解析循环实验后,其对Cd(II)和Pb(II)的吸附量仍能保持在92.1%和80.5%。该材料的成功开发将推动生物炭材料在重金属污染水体和土壤中的实际应用。   上述成果以“Afacilefoaming-polymerizationstrategytoprepare3DMnO2modifiedbiochar-basedporoushydrogelsforefficientremovalofCd(II)andPb(II)”为题发表于环境科学领域Top期刊Chemosphere上,相关专利也在受理中(公开号201910268850.2)。该研究得到了国家自然科学基金、厦门市科技项目和中日合作项目的支持。     文章链接生物炭凝胶化成型技术及吸附重金属的示意图

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 清华新闻网10月12日电10月8日,清华大学生命学院的张强锋课题组在《自然·通讯》(NatureCommunications)上发表题为“SCALE方法基于隐特征提取进行单细胞ATAC-seq数据分析”(SCALEmethodforsingle-cellATAC-seqanalysisvialatentfeatureextraction)的学术文章。 真核生物的染色质具有复杂的高级结构,由DNA一圈一圈缠绕在组蛋白上形成串珠式模型并进一步折叠聚集而成。基因的转录必须要将相应的染色质打开形成开放区域才能结合其他的转录调控因子。因此可以说染色质开发区域是基因组编码生命的窗口。单细胞ATAC-seq(AssayforTransposase-AccessibleChromatinusingsequencing)技术在单细胞层次上通过Tn5DNA转座酶在开放染色质插入测序接头进行标记并测序,从而获取“高分辨”的单细胞精度的染色质开放图谱,并依此揭示细胞异质性的调控机制。 SCALE的模型框架 越来越多的研究者们应用单细胞ATAC-seq技术,在肿瘤、免疫、发育领域获取大量的测序数据。然而,目前没有一个有效的方法可以很好的分析挖掘海量的单细胞ATAC-seq数据中宝贵的生物信息。单细胞ATAC-seq数据分析的难点在于数据本身。首先,细胞整体的染色质开放位点数有几十万之多,造成所谓的“维度灾难”。另外,由于生物的原因许多潜在的开放没有信号,数据异常稀疏,技术限制带来的数据丢失极大程度上加剧了这种现象。特别地,在二倍体基因组上一个开放区域一般至多只有两个拷贝,使得数据近乎二值化。这些问题都给单细胞ATAC-seq数据的分析带来了巨大挑战。 近日,张强锋课题组发表的文章提出了SCALE,利用人工智能深度学习的方法,结合变分自编码器和高斯混合模型,提取单细胞ATAC-seq数据的隐层特征,将问题从复杂稀疏的高维度的染色质开放图谱空间投射到了简单抽象的低维度特征空间。这种处理不但可以发现和解析细胞特异性的染色质图谱模式,还通过相似细胞信息共享,填补了技术限制导致的缺失值,从而巧妙地解决了单细胞ATAC-seq数据中高维度、稀疏性、二值化等问题。SCALE提供了完整的可视化、聚类、数据增强、帮助下游生物信息的挖掘,为研究者们解码单细胞表观遗传学提供了有力的工具。 清华大学生命学院研究员张强锋为本文通讯作者,CLS项目博士生熊磊为本文第一作者。本工作获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、清华大学结构生物学高精尖中心、清华-北大生命科学联合中心的资金支持。 原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12630-7

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  近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控与生物力学研究中心在纳米尺度电化学性能表征领域取得重要进展。相关成果以"Resolvinglocaldynamicsofdualionsatthenanoscaleinelectrochemicallyactivematerials"(揭示电化学活性材料在纳米尺度的局域双离子动力学特性)为题发表在能源领域重要期刊NanoEnergy(《纳米能源》,影响因子15.548)上。深圳先进院纳米调控与生物力学研究中心客座博士生余俊熹为论文第一作者,美国华盛顿大学博士生黄博远、湘潭大学博士生李奥林为共同第一作者,先进院纳米调控中心主任李江宇研究员为通讯作者,湘潭大学刘运牙教授、谢淑红教授为共同通讯作者。  双离子电池具有高工作电压、长循环寿命、安全、低成本等优势,近年来受到广泛关注,与传统的单离子电池(锂/钠离子电池)相比,双离子电池体系中阴离子和阳离子同时参与反应,反应过程更为复杂,为了充分发挥双离子电池的潜力,需要深入理解纳米尺度阴离子和阳离子相互竞争的微观电化学过程。  基于此,团队采用具有电化学活性的浮法玻璃作为双离子微观动力学的研究对象,利用电化学应变显微技术(ESM)对其进行了纳米尺度电化学性能表征,并通过有趣的离子弛豫动力学曲线,揭示了双离子体系中存在Vegard电化学应变(Vegardstrain)和电化学偶极矩(electrochemicaldipoles)相互竞争的微观机制。同时结合相场模拟,定量测量了微观钠离子扩散系数和活化能,并与宏观测试结果一致。该方法不仅能运用于双离子电池中,在卤化钙钛矿太阳能电池、功能氧化物中也具有广泛的应用前景。  上述工作得到国家重点研发计划纳米科技重点专项和国家自然科学基金仪器研制项目的资助。Vegard电化学应变和电化学偶极矩相互竞争的微观机制

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  近日,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心联合研究部刘洪阳研究员和博士研究生黄飞等人与北京大学马丁教授、中科院上海应用物理研究所姜政研究员以及香港科技大学王宁教授等团队合作,在富缺陷纳米石墨烯稳定原子级分散Cu催化剂有效催化乙炔高效选择性加氢研究中取得最新进展,相关研究成果在线发表于《自然-通讯》(NatureCommunications)。  乙炔选择性加氢是工业生产高分子聚合物过程中的重要催化反应之一。如何选择性将乙炔加氢到乙烯,而避免乙烯进一步氢化到乙烷,是这一反应急需要解决的主要问题。刘洪阳研究员带领团队近年来致力于新型纳米碳材料负载金属催化剂的研究(ACSCatal.2019,9,5998;ACSCatal.2017,7,3349;Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,15823)。在前期研究成果中发现富缺陷纳米石墨烯稳定的原子级分散单位点Pd催化剂,在乙炔半加氢反应中表现出优异的催化活性和选择性(J.Am.Chem.Soc.2018,140,13142.)。此项研究工作,首次将原子级分散单位点Cu锚定在富缺陷纳米石墨烯载体(Cu1/ND@G),并通过球差电镜(图1)和X射线吸收谱(图2)对其进行了系统表征。原子级分散的铜原子通过与载体缺陷上的三个碳原子成键,进而被稳定在石墨烯碳缺陷位点上。相比于传统的团簇Cu催化剂(Cun/ND@G),原子级分散Cu1/ND@G催化剂具有显著的乙炔加氢催化活性和乙烯选择性(图3)。利用密度泛函理论(DFT)模拟计算表明,相比于团簇Cu催化剂(Cun/ND@G),原子级分散的Cu催化剂Cu1/ND@G在乙炔氢化反应中,可有效促进乙炔的活化和乙烯的解离(图4)。此项研究工作,成功地将乙炔高选择性催化剂由贵金属Pd催化剂拓展到廉价的非贵金属Cu催化剂,对未来设计开发高活性、高稳定性和低成本的工业加氢催化剂奠定了坚实的基础。  上述工作得到了国家基金委重大研究计划重点基金、国家基金委重大研究计划培育项目、国家基金委面上项目、科技部重点研发计划“纳米专项”青年科学家项目、中科院青年促进会、中科院金属所、沈阳材料科学国家研究中心的支持,以及上海同步辐射光源提供的大力支持。  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12460-7图1催化剂球差电镜表征。(Cu主要以单个原子形式分散在在体表面,见图d,以白色圆圈标注。)  图2催化剂XAFS表征。(XANES光谱表明Cu带部分正电荷,EXAFS表明Cu1/ND@G中只存在Cu-C键,Cu以Cu-C3形式稳定在石墨烯载体上。)图3催化剂加氢催化活性。(原子级分散Cu1/ND@G具有更低的乙炔加氢活化能垒,转化频率(TOF)高于Cu团簇催化剂(Cun/ND@G)4倍以上,且在60h反应稳定性测试中表现优异。)图4DFT计算。(反应中间产物乙烯脱附能垒(1.08eV)小于乙烯进一步加氢能垒(1.27eV),有利于乙烯脱附而避免乙烯进一步过度加氢。)图5催化性能对比示意图。(Cu1/ND@G与Cun/ND@G相比具有更低的乙炔或化能垒(1.36eVvs1.50eV)。)

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  中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在量子力学基本问题的研究中取得新进展,该团队的李传锋、许小冶等人与斯德哥尔摩大学博士YaronKedem合作,首次提出并实验实现了多体非局域波函数的直接测量。该研究成果于10月9日发表在国际期刊《物理评论快报》上,并入选“编辑推荐”论文。美国物理学会网站“物理新闻与评论”栏目以《直接测量纠缠态》为题专文报道该项成果。  波函数是量子力学最核心的概念之一,不论是单体还是多体量子系统,其状态都可以用波函数完全刻画。目前最常用的测量波函数的方法是量子态层析,然而该方法随着待测系统规模的增加,对资源的消耗呈指数增长。2011年科学家们基于弱测量和弱值(WeakValue)提出单光子空间波函数的直接测量方法,避免了量子态层析中复杂的重构过程。然而对于多体特别是含有纠缠的量子系统的波函数直接测量,却一直未能取得突破,难点在于无法提取多体系统非局域可观测量的弱值。  李传锋研究组继首次实现非局域可观测量的量子测量[Phys.Rev.Lett.122,100405(2019)]后,与YaronKedem一起另辟蹊径,通过巧妙构造哈密顿量,实现对多体系统局域可观测量之和的模量(ModularValue)的测量,然后利用它与非局域可观测量的弱值的数学关系,直接给出后者的取值。该方法成功解决了提取多体系统非局域可观测量的弱值这一难题,可以很方便地应用到多体非局域波函数的测量中。研究组在实验上利用双光子超纠缠成功演示了双光子非局域波函数的直接测量。他们将两个光子制备到偏振和路径分别处于最大纠缠态的超纠缠态上,再实现偏振和路径间的相互作用,最后通过路径指针在不同投影基下的计数直接测量出双光子偏振态的波函数。  该成果首次实现多体纠缠系统波函数的直接测量,《直接测量纠缠态》一文评论该成果对未来量子信息技术中大规模纠缠系统的探测提供高效的方法。该工作还澄清了波函数的直接测量技术源自于弱值而非弱测量,更为重要的是,对含有纠缠的多体量子系统波函数的直接测量,证明这是一项纯粹的量子技术,而非基于经典的干涉过程。该方法为量子物理基本问题的研究带来新的思路,并对量子信息技术的发展起到重要推动作用。  该论文共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士研究生潘维韦与特任副研究员许小冶。该工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省以及博士后创新人才支持计划的资助。  论文链接  APS网站“物理新闻与评论”链接直接测量两光子非局域波函数的实验装置图

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