有关物质方法学研究

今天学姐给大家分享的是高考化学物质检验、鉴别、验证题的解题方法与技巧（含例题解析）同学拿去好好认真看一下！搞定它高分不在话下哦！超级实用哈！因为篇幅有限，以下是部分资料内容，完整高清版的发送私信即可。更多资料将持续更新，敬请关注。

我们从初中就开始学习物理，不知道小伙伴们有没有考虑过，物理学究竟是在研究些什么东西？可能会有小伙伴说，物理就是研究力、热、声、光、电……等等啊。这么说当然也不能算错，但是你只说出了物理的一些侧面。其实物理的最终目的是想发现这个世界运行的最本质上的规则。发现规则又是个啥意思呢？我打个比方，就好比让不会下围棋的人去看下围棋，通过看棋来学习下围棋，没有人教，没有人告诉我们围棋的规则是什么，能不能学会，我不知道，但是通过大量的看别人下棋，肯定会发现一些规律是吧？其实物理就是这样，我们一群人，当中聪明的那部分，在观察自然的运作规则的时候，发现的规则多的，或者是那些掌握了规则多的，就成为了物理学家。在几百年前，这些最聪明的人中有人提出了一种发现宇宙“下棋”规则的方法，这个方法就是观察、推理、实验和数学描述。后来的人，把这个方法叫做科学方法。物理学家们，企图利用这个方法去发现宇宙“这盘棋”的全部规则，来还原出一个完整的宇宙是如何在这个“规则”下变成今天这个样子的。本文就来做一下这样的尝试，通过对宇宙的经典规则的探讨，来描述一下物理学究竟都是在研究些啥。经典宇宙的样子经典的宇宙是活跃在欧几里得几何所描绘的三维空间之中，事务在叫做时间的媒介中变化。舞台上的基本元素是粒子，比如原子，它们有很多自身的属性。第一个属性是惯性：如果一个粒子在运动，它将继续沿同一个方向运动下去，除非它受到力的作用。嘿嘿，有没有很熟悉啊，对啦，这就是牛顿第一定律，也叫做惯性定律。第二个基本元素就是力，当时（1920年之前）物理学家们认为力有两种：第一种力是一种极其复杂、细致的相互作用力，它以复杂的方式将各种原子结合在不同的组合中，它决定了温度升高时食盐是溶解得快些还是慢些。另一种当时已知的力是一种长程相互作用，一种变化平缓的、悄悄的吸引力，与距离的平方成反比，叫做万有引力。当然了，那时候关于物体为什么会保持运动状态，以及为什么会存在万有引力定律大家还都是不知道的。即使是现在，其实也还没有完全搞清楚。虽然发现了“上帝粒子”，但是科学家同样发现，并不是所有的质量都是由“上帝粒子”贡献的。这个不是本文的话题，这里不多讨论了。总之，我们是发现粒子运动的一些规律的。按照当时的观点，对物质的描述，气体和实际上一切物质，都是大量运动着的粒子。这样，我们可以把很多身边的事物之间的关系建立起联系。比如压强，它来自粒子与容器壁或别的什么东西的碰撞。粒子的移动如果平均而言沿着一个方向运动，那就是风；而无规则的内部运动就是热。大量的粒子聚集在一起使密度超过平均值，它们将成堆的粒子不断向外散开，这就生成了波，这种过剩密度的波就是声音。能够理解这么多的事务，这是一个重大的成就。那时候的科学家们认为粒子的种类有92种，我们现在已经知道的元素种类已经超过110多种，这些不同的粒子有不同的名称和不同的化学性质。在化学反应中，这些粒子的种类不变。超短程力面对着这些化学元素中的粒子，我们都会很好奇为什么氧气分子是两个氧原子组合在一起，而不是3个或者是4个，原子之间相互作用的机制是什么？是万有引力吗？当然不是万有引力了，它实在是太弱了。但是想象有这样一种力，它与万有引力相似，也随距离的平方成反比变化，但强得多，并且有一个重要差别：在万有引力下一切物体都是相互吸引的，但是现在想象存在有两类“东西”，这种“新力”就是电力，具有同性相斥、异性相吸的性质。携带这样的强的相互作用的东西叫做电荷。那么，我们最终会得到些什么结果呢？让我们把两个等量的异种电荷放在一起，这很容易办到，异性电荷相吸嘛，一正一负，紧紧地贴在一起。我们再在距离它们一定距离之外放上另外一个电荷（第三个电荷）。这个电荷会感到任何吸引吗？它实际上不会感受到任何力的作用，因为前两个电荷大小相等，那么一个的吸引力和另一个的排斥力就会抵消。因此在任何可观的距离上的力都很小。但是，如果我们使第三个电荷与前两个非常靠近，就会产生吸引，因为同号电荷的排斥和异号电荷的吸引会使异号电荷更靠近些，并使同号电荷远离。这样排斥力就将小于吸引力。这就是由正电荷和负电荷组成的原子，在它们相隔一个可观的距离时，相互作用的力很小（万有引力除外）的原因。当它们靠近时，它们就能够相互“看到内部”，重新安排它们的电荷，结果它们之间就产生了很强的相互作用。原子之间的相互作用的终极原因是电的作用。由于这个力是如此之大，一切正电荷和一切负电荷通常 会结合成一个尽可能紧密的组合。万事万物，包括我们自己，都是由极细微的、强烈地相互作用着的带正电和带负电的粒子组成，正电荷和负电荷相互抵消。偶尔，我们可以从一件东西上擦下来一点点带正电的粒子或带负电的粒子（当然了，擦下来带负电的粒子要比较容易一些），这时候电力不再抵消，我们就会看到电的吸引作用。考虑两粒沙子，大小为1毫米，距离30米。如果它们之间的力不被抵消，也就是说，如果所有的电荷都相互吸引而不是同号电荷相斥，因此没有抵消，那么，它们之间的力有多大呢？有300万吨！你瞧，正电荷或负电荷的数目只要超过或不足很少一点点，就足以产生可观的电效应了。当然，这就是你（用非电学方法）看不出带电物体和不带电物体的差别的原因——涉及粒子数目如此之少，它们很难对一个物体的重量或大小造成什么差别。有了这幅图像，原子就比较容易理解了。人们设想在原子的重心有一个“原子核”，它带正电并且有很大的质量，周围环绕着一定数目的“电子”，电子很轻并且带负电。当然了，现在我们都知道原子核本身也包含两种粒子：质子和种子，他们的质量几乎相同，非常重。质子带电而中子不带电。如果我们有一个原子，它的原子核里有2个质子，外面环绕着2个电子（通常的物质世界中的负电粒子都是电子，它们比组成原子核的质子和中子轻得多）。这是元素周期表中的第2号元素（或者说其原子序数为2），叫做氦。第8号元素叫做氧，等等。因为化学性质取决于核外的电子，并且事实上只取决于那里有多少个电子。因此，一种物质的化学性质完全取决于一个数，电子的个数。关于电力还有更多的发现电相互作用的一个自然的解释是，两个物体简单地相互吸引，正的吸引负的。但是后来发现，用这个概念来表示电相互作用并不恰当。对电相互作用的一个更恰当的表示是，正电荷的存在在某种意义上扭曲了空间的“状态”，或在空间产生了一种新“状态”，使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力。这个产生力的潜在可能性叫做电场。把一个电子放进电场，它就会受到一个“拉力”。于是我们就得到两条规则：1、电荷产生一个电场；2、电场中的电荷会受到力的作用而运动。讨论下面的现象，用电场来表示电作用的理由就更清楚了。如果我们使一个物体比如一根玻璃棒带电（哈哈，之所以用这个案例，是因为我们初中学习摩擦起电就是用的这个道具），然后把一张带电的纸放在离玻璃棒一段距离外。前后移动玻璃棒，纸片会有反应，总是指向玻璃棒。如果把玻璃棒摇动得更快，就会发现纸片的运动要落后一些，即作用有所滞后。（在第一个阶段，当我们相当慢地移动玻璃棒时，我们还看到一种并发症，那就是是磁。做相对运动的电荷必定有磁作用，因此磁力和电力实际上可以归结为一个场，就像同一事物的两个不同侧面。一个变化的电场不可能离开磁场而存在。）如果我们把带电的纸片移动到更远的地方，滞后就更大。这时观察到一件有趣的事：虽然两个带电物体之间的力应当与距离的平方成反比变化，但却发现，当我们摇动一个电荷时，其影响伸展的范围要比我们乍看之下所猜想的远得多。这就是说，这个效应下降得比平方反比律慢。现在让我们一起来做一个小实验：在一个水池里，近旁有一个漂浮的软木塞。用另一个软木塞划水，可以直接使前一个软木塞运动。如果你只注意看两个软木塞，你将会看到一个的运动是对另一个的运动的立即响应——两个软木塞之间有某种“相互作用”。当然，实际上我们所做的是搅动水，然后水再去扰动另一个软木塞。我们可以建立一条“定律”；如果轻轻划动水，水里邻近的物体就会运动。如果第二个软木塞离得更远，它就几乎不动，因为我们只是局部地搅动水。反之，如果我们使软木塞上下运动，就发生一种新现象，水的运动带动了周围的水，形成了向外传播的波，波的效应，它无法从直接相互作用的观点理解。因此直接相互作用的观念必须代之以通过水发生作用的观念，或者在电的情况下，代之以所谓的电磁场。电磁场能够传送范围广泛的波；其中一部分是光波，别的则用在无线电广播中，它们总的名字是电磁波。这些震荡的波可以有各种频率。一种波与另一种波的唯一真正的差别就在于震荡的频率。如果我们把一个电荷摇动得越来越快，看它产生的效应，我们将得到整整一系列不同的效应，它们由一个数，即每秒钟的震荡次数，统一在一起。建筑物墙上的电线中的电流产生的“干扰信号”的频率大约是每秒50周左右。如果我们把频率增加到每秒500或1000千周，那就是无线电光波所用的频率范围。英文中“正在广播”是on the air，当然广播和空气（Air）毫无关系！没有任何空气在真空中也可以进行无线电广播。如果我们再次提高频率，我们就进入了调频广播和电视所用的波段。频率进一步增高就是短波，例如雷达用的波。频率再高，就不需要用仪器来“看”这些波了，我们可以用肉眼来看。在5*10^14~5*10^15赫兹的频率范围内，只要我们能把玻璃棒摇得这么快，我们的眼睛能够看见带电玻璃棒的振荡。我们将看到红光、蓝光或紫光，以它们的频率而定。低于这个频率的叫做红外光，高于这个范围的叫紫外光。从一个物理学家的观点看，我们能够看见特定频率范围的波这一个事实，并不会让这一段电磁波谱比别的波段更特别，但是从一个人的观点看，当然这个波段更令人感兴趣。如果频率再高，我们就得到X射线。X射线不是别的，只不过是频率很高的光。频率再高，就得到伽马射线。X射线和伽马射线这两个名称，几乎是当作同义词来使用。通常把从原子核发出的电磁波射线叫做伽马射线，而从原子发出的高能电磁波则叫做X射线，但是不论它们起源在那里，它们的频率相同时，在物理上是无法分别的。频率更高的波，比方说10^24赫兹，我们可以人工生成，比方用同步加速器。在宇宙射线中，我们可以发现频率极高的波，其振荡频率甚至更快1000倍。这些波我们目前还不能控制。到这里，本文就写完了，可能有些小伙伴觉得文章写得很散，所以我还需要总结一下。其实，本文的所要表达内容就是在经典物理学的范围内，对1920年之前科学所作出的成就，对我们这个世界的理解做一般阐述，从而表达出物理学的最终目的是要做什么。小伙伴们，您明白了吗？如果您还有什么疑问，欢迎在文章的评论区里面留言讨论。

1. 改善结构金属可持续使用的策略金属材料经过数千年的发展，给我们的技术带来了飞跃性的进步。近年来，在能源、建筑、安全和运输等关键行业，人类对结构（即承重）合金的需求不断增加，导致到2050年的预计生产增长率高达200％。然而，这些大部分这类材料在提取和制造过程中需要消耗大量的能源，这些过程会排放大量温室气体和污染。德国马普所的Dierk Raabe和美国麻省理工学院的C. Cem Tasan和Elsa A. Olivetti回顾了改善结构金属直接可持续性的方法，包括减少二氧化碳的初级生产、回收与废料相容的合金设计，合金的耐污染性以及合金寿命的提高。作者讨论了各种措施的有效性和技术可行性，还展示了新型结构材料与现有合金相比的优势，如质量更轻、热稳定性更高和机械性能更好，从而提高了能源效率。文献链接: Strategies for improving the sustainability of structural metals (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1702-5)2. 通过多材料多喷嘴3D打印体素化的软物质目前，基于喷墨的三维（3D）打印是唯一能够广泛使用的高精度创建3D体素化材料的方法，但是液滴形成的物理原理要求使用低粘度墨水，以确保成功进行打印。相比之下，直接墨水书写（一种基于挤出的3D打印方法）能够对范围更广的材料进行构图。然而，目前难以通过层状方式挤出整体式圆柱状细屑，从而产生多材料体素化物质。美国哈佛大学的Jennifer A. Lewis报道了使用多材料多喷嘴3D（MM3D）打印技术来设计和制造体素化软物质的过程。文章中的MM3D打印头利用了类似二极管的模式，这种模式是多种粘弹性材料在交汇处汇聚时实现的，从而可以在多达八种不同的材料之间进行无缝的高频切换，以生成体积接近喷嘴直径立方的体素化物质。作为示例，作者制造了Miura折纸图案和千足虫状的软体机器人，该机器人利用共同印刷而刚度变化了几个数量级的多种环氧树脂和有机硅弹性体油墨实现运动。这种方法大大拓宽了可以设计和制造复杂图案的体素化材料的选择空间。文献链接: Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1736-8)3. 亚稳态薄膜Heusler合金的热电性能热电材料将热梯度转换为电。该过程的效率取决于三个与材料有关的参数：塞贝克系数，电阻率和热导率，总结于热电性能指标中。大量热电参数优化对热电发电机等潜在应用是有益的。维也纳工业大学的E. Bauer教授报道了通过磁控溅射制备的基于Fe2V0.8W0.2Al的薄膜Heusler合金的热学和电学性能。密度泛函理论计算表明，薄膜为亚稳态；功率因数（塞贝克系数的平方除以电阻率）的测量结果表明，这些薄膜具有很高的内在品质因数。这可能是由于费米能级的状态密度和接近费米能级的Weyl状电子弥散所致，这表明由于电子能带中的线性交叉，电荷载流子具有很高的迁移率。文献链接: Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1715-9)4. 高效稳定的InP/ZnSe/ZnS量子点发光二极管量子点（QD）发光二极管（LED）由于其出色的效率、色纯度、可靠性和具有成本效益的制造而成为大型面板显示器的理想选择。经过科学家的努力，已经生产出发射红、绿和蓝光的QD-LED的效率分别为20.5％，21.0％和19.8％，但是仍然需要提高设备的操作稳定性，并更换其有毒的镉成分，降低其对环境的危害。基于磷化铟（InP）的材料和器件的性能仍远远落后于含镉的同类材料和器件。韩国三星先进技术研究院Eunjoo Jang团队（通讯作者）介绍了一种制备均匀InP核和高度对称的核/壳QD的合成方法，其量子产率约为100％。特别是，作者在初始ZnSe壳的生长过程中添加氢氟酸以蚀刻掉氧化InP核表面，然后使ZnSe在340℃下能够高温生长。设计的壳厚度可抑制能量转移和俄歇重组，以保持高发光效率，并且初始表面配体被较短的配体取代，从而实现了更好的电荷注入。经过优化的InP/ZnSe/ZnS QD-LED的理论最大外部量子效率为21.4％，最大亮度为100,000 cd/m2，在100 cd/m2的条件下使用寿命长达一百万小时，其性能与最先进的含镉QD-LED相当。这些已准备好的基于InP的QD-LED很快就可以在商业显示器中使用。文献链接: Highly efficient and stable InP/ZnSe/ZnS quantum dot light-emitting diodes (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1771-5)5. 在金属-有机框架中限制原子定义的金属卤化物片限制无机结构的尺寸会产生尺寸和形状相关特性，从而将纳米级材料与块状固体区分开。已有研究表明，合理地成形这些材料可以影响和增强它们的光学、电学、磁性和催化性能。尽管通常可以在纳米级范围内针对特定的组成来合成一定数量的稳定簇，但是分离具有预定大小和形状的簇仍然是一个挑战，尤其是针对源自二维材料的簇。美国加州大学伯克利分校的Jeffrey R. Long实现了在金属-有机框架中的多齿配位环境，以提高离散的无机团簇在多孔晶体载体中的稳定性。作者通过六个螯合联吡啶基的外围配位展示了原子定义的溴化镍（II），氯化镍（II），氯化钴（II）和氯化铁（II）的局限性增长。重要的是，框架内的限制限定了这些纳米片的结构和组成，并有助于通过晶体学对其进行精确表征。每个金属（II）卤化物薄片代表从单层固体结构中切下的碎片，并且在不同前驱体负载下获得的结构能够观察到薄片组装的后续阶段。最后，隔离的片材表现出的磁性行为不同于块状金属卤化物，包括通过消除远距离的层间磁有序性而将铁磁耦合的大自旋基态隔离。总体而言，这些结果表明，可以设计金属-有机框架的孔隙环境，以精确控制无机团簇的大小、结构和空间排列。文献链接: Confinement of atomically defined metal halide sheets in a metal–organic framework (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1776-0)6. CO2-乙烯转化的分子调节增值燃料和原料的电催化二氧化碳（CO2）还原反应（CO2RR）提供了一种可持续的、碳中和的方法来存储间歇性可再生电力。从CO2RR高选择性地生产经济上需要的C2产物，例如乙烯仍然是一个挑战。调整中间体的稳定性以利于所需的反应途径，从而为提高选择性提供了机会，最近已通过控制形态、晶界、刻面、氧化态和掺杂剂在铜（Cu）上进行了探索。不幸的是，在中性介质中，乙烯的法拉第效率仍然很低，导致能源效率低下。加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent教授提出了一种分子调节策略：用有机分子对电催化剂的表面进行功能化，可以稳定中间体以增强CO2RR转化为乙烯。通过电化学、原位光谱和计算研究结果，作者研究了通过芳基吡啶鎓的电二聚作用衍生的分子库对Cu的影响。作者发现所粘附的分子改善了顶部结合的CO中间体的稳定性，从而有利于进一步还原成乙烯。作为该分子调节策略的结果，在中性介质中的液体电解质流通池中，当分流密度为230 mA/cm时，将CO2RR转化为乙烯，法拉第效率为72％。在基于膜电极组件的系统中，乙烯能够进行190个小时的稳定合成，该系统可提供20％的全电池能效。这些发现表明了分子策略如何通过局部分子调节来稳定中间体，从而补充非均相催化剂。文献链接: Molecular tuning of CO2-to-ethylene conversion (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1782-2)7. 用于氢同位素分离的多孔有机笼氢同位素的分离在诸如核聚变等应用中是一项重大挑战。当前的技术是能源密集型的，并且分离效率低下。 纳米多孔材料具有动力学量子筛分离氢同位素的潜力，但高分离选择性往往与低吸附容量相关，这可能会阻止工艺规模扩大。英国利物浦大学的Andrew I. Cooper教授使用有机合成来修饰笼状分子的内部腔体，以制备出色的具有量子筛分离的杂化材料。通过将小孔和大孔笼子结合在一起，形成一种具有最佳分离性能的材料，该材料具有出色的氘/氢选择性（8.0）和高氘吸收（4.7毫摩尔/克）。文献链接: Barely porous organic cages for hydrogen isotope separation (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax7427)8. 电池阳极中金属的可逆外延电沉积金属在液-固界面形成不规则和非平面电沉积的倾向已成为使用金属阳极的高能可充电电池的基本障碍。美国康奈尔大学的Lynden A. Archer教授报道了一种金属外延机制，以调节成核、生长和金属阳极的可逆性。定义了可逆外延电沉积金属的晶体学、表面织构化和电化学标准，并通过使用锌（Zn）（一种安全，低成本且能量密集的电池负极材料）证明了其有效性。石墨烯与Zn的晶格失配率低，可有效驱动具有锁定晶体取向关系的Zn沉积。所得的外延Zn阳极在中等和高速率下经过数千个循环可实现出色的可逆性。金属的可逆电化学外延为通向具有高可逆性的能量密集型电池提供了一条通用途径。文献链接: Reversible epitaxial electrodeposition of metals in battery anodes (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax6873)9. 利用α-相甲脒碘化铅的固有带隙制备高效、稳定的太阳能电池通常，含有甲脒（FA）、甲基铵（MA）、铯、碘和溴离子的混合阳离子和阴离子可用于稳定钙钛矿太阳能电池中基于FA的三碘化铅（FAPbI3）的黑色α相。但是，诸如MA、铯和溴之类的添加剂会扩大其带隙并降低热稳定性。韩国蔚山科技大学的Sang II Seok教授通过掺杂二氯化亚甲基二胺（MDACl2）稳定了α-FAPbI3相，并实现了每平方厘米26.1到26.7毫安之间的认证短路电流密度。经过认证的功率转换效率（PCE）为23.7％，在连续运行600小时后，在全日照（含紫外光）下最大功率点跟踪时，可保持90％以上的初始效率。未封装的器件甚至在150oC的空气中退火20小时后，仍保留了其初始PCE的90％以上，并且相对于通过MAPbBr3使FAPbI3稳定的控制器件，其表现出优异的热稳定性和湿度稳定性。文献链接: Efficient, stable solar cells by using inherent bandgap of a-phase formamidinium lead iodide (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aay7044)10. 束状Pt-Ni合金纳米笼继续提升高效氧化还原反应（ORR）性能对于实用的燃料电池，开发高效、耐用的电催化剂至关重要。华中科技大学的夏宝玉教授和新加坡南洋理工大学的楼雄文教授报道了一维束状的铂-镍（Pt-Ni）合金纳米笼。对比传统的Pt电催化剂，Pt-Ni 合金纳米笼具有更好的ORR催化活性和稳定性。同时，其还具有高质量活性（3.52 A mgPt-1）和比活性（5.16 mA cmPt-2），比市售铂碳催化剂（Pt/C）高17和14倍。此外，该催化剂表现出高稳定性，在50000次循环后活性下降可忽略不计。原位X射线吸收谱（XAFS）和DFT理论计算表明，这种催化剂结构有利于在优化氧还原过程中的铂氧物种吸附强度，在改善氧还原催化性能的同时，亦能保持催化剂的较高活性和结构稳定性。此外，通过这种催化剂组装的燃料电池在0.6 V下的电流密度为1.5 A/cm2，并且可以稳定运行至少180小时。文献链接: Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen rection in practical fuel cells (Science, 2019, DOI:10.1126/science.aaw7493)11. 通过增材制造实现的抗疲劳、高性能弹性材料弹热制冷（或称应力制冷，是机械热制冷的形式之一）是利用外应力场的施加和移除，可逆地改变材料的晶体结构对称性以引起材料放热和吸热，最近已成为非蒸气压缩式制冷技术的领跑者。然而，应力制冷材料的热力滞后会约束制冷系统的效率，并且其对制冷性能的长期稳定性影响尚未得到解决。北京航空航天大学的侯慧龙教授报道了通过增材制造Ti-Ni合金来构建高效热力学性能、超窄滞后的弹热制冷材料。与已有的Ti-Ni合金的冶金学知识相反，发现金属间相与纳米复合构型的二元Ti-Ni化合物结合时，对弹性热学性能是有益的。所获得的弹热制冷材料在准线性应力-应变行为中展现出极小的应力滞后，相比于通常的情况其材料效率提高了4到7倍。此外，尽管由超过50％的金属间相组成，但这种材料的可逆、可重复的弹热制冷性能在一百万次循环中显示出稳定的性能。这一结果为直接在弹性热冷却系统中进行增材制造打开了大门，在该系统中，通用的设计策略既可以实现热交换器的拓扑优化，又可以对金属制冷剂进行独特的微观结构控制。文献链接: Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials via additive manufacturing (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax7616)12. 超导-绝缘相变中的玻色金属态量子材料以及量子相变是本世纪凝聚态物理与材料领域的研究热点。自高温超导发现以来，二维量子金属态的存在及其形成机制是三十多年来国际学术界一直悬而未决的重要物理问题。电子科技大学的熊杰教授，北京大学的王健教授和美国布朗大学James M. Valles Jr教授合作首次在高温超导纳米多孔薄膜中完全证实了量子金属态的存在。作者通过调节反应离子刻蚀的时间，在高温超导钇钡铜氧（YBCO）多孔薄膜中实现了超导—量子金属—绝缘体相变。此外，通过极低温输运测试发现，超导、金属与绝缘这三个量子态都有与库珀电子对相关的h/2e周期的超导量子磁导振荡；这个测量结果表明，异常的量子金属态是玻色的，并且相干的饱和在其形成中起着重要作用。文献链接: Intermediate bosonic metallic state in the superconctor-insulator transition (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax5798)13. 单层二维高分子，实现大面积有机-无机杂化超晶格制备大面积、高质量的有机二维材料并利用其组装新的范德华异质结构，可以极大程度地丰富二维材料的化学多样性和功能性，因而具有广阔的前景。美国芝加哥大学的Jiwoong Park报道了二维卟啉聚合物薄膜的合成，其晶片尺度均匀性达到了单分子层厚度的极限。卟啉单体的层流组装聚合可以形成带有Cu2+连接物的金属有机骨架或带有对苯二醛连接物的共价有机骨架的单层。这些二维薄膜的晶格结构和光学性质直接受分子单体和聚合化学的控制。这些二维聚合物被用于制造二硫化钼混合超晶格阵列，可用在电容器等电子设备中。这种采用层状自组装聚合（LPA）的方法完成了单层二维高分子的合成和组装，打破了有机材料和无机材料之间的壁垒，为合成新型杂化范德华异质结构提供了一种新的方法。文献链接: Wafer-scale synthesis of monolayer two-dimensional porphyrin polymers for hybrid superlattices (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax9385)

1. 模块化点击化学库用于筛选重氮试剂点击化学是一个概念，其中模块化合成用于快速发现具有所需特性的新分子。铜(i)催化的叠氮化物-炔烃环加成(CuAAC)三唑环化反应和硫(vi)氟化物交换(SuFEx)催化被广泛视为点击反应，可快速获得其产物，收率接近100％。但是，在CuAAC反应的情况下，由于叠氮化物试剂的潜在毒性和制备中涉及的爆炸危险，因此其可用性受到限制。中科院上海有机所的Karl Barry Sharpless教授和董佳家教授，报道了添加到点击反应族中的另一种反应：由伯胺形成叠氮化物。该反应仅使用一种当量的简单重氮化物氟磺酰叠氮化物（FSO2N3），并能够以安全实用的方式在96孔板上制备1200多种叠氮化物。这种可靠的转化是CuAAC三唑环化（目前使用最广泛的点击反应）的有力工具。该方法大大扩展了易获得的叠氮化物和1,2,3-三唑的数量，并且鉴于CuAAC反应的普遍性，该方法应在有机合成、药物化学、化学生物学和材料科学中得到应用。文献链接: Molar click chemistry libraries for functional screens using a diazotizing reagent (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1589-1)2. PdMo双金属烯（bimetallene）用于氧还原催化通过电催化过程实现化学物质和电力的有效相互转化对于许多可再生能源计划至关重要。长期以来，氧还原反应（ORR）和氧释放反应（OER）的动力学迟缓是该领域的最大挑战之一，通常需要使用昂贵的铂族金属为基础的电催化剂来提高其活性和耐久性。合金化，表面应变和优化的配位环境的使用已导致铂基纳米晶体在酸性介质中具有很高的ORR活性。然而，由于在氢氧化物的存在下难以在铂族金属上获得最佳的氧结合强度，因此提高在碱性环境中该反应的活性仍然具有挑战性。北京大学郭少军教授发现PdMo双金属烯（bimetallene）是碱性电解液中ORR和OER的有效和稳定的电催化剂，并显示出非常好的性能。与碱性电解液中的可逆氢电极相比，PdMo双金属片的薄层结构可实现较大的电化学活性表面积以及高原子利用率，从而在0.9伏特下对每毫克钯的ORR产生16.37安培的质量活性。该质量活性分别比市售Pt/C和Pd/C催化剂高78倍和327倍，并且在30000个潜在循环后几乎没有衰减。密度泛函理论计算表明，合金化效应、应变效应（由于弯曲的几何形状引起）、量子尺寸效应（由于薄层的厚度引起）调节了系统的电子结构，从而优化了氧的结合。考虑到PdMo金属链的性质和结构-活性关系，其他金属链材料在能量电催化中显示出广阔的前景。文献链接: PdMo bimetallene for oxygen rection catalysis (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1603-7)3. 六边形平面过渡金属配合物过渡金属配合物因在催化、合成、材料科学、光物理和生物无机化学中具有重要作用而被广泛用于物理和生物科学。该研究对过渡金属配合物的理解源自Alfred Werner的认识，即它们的三维形状会影响其性能和反应性，并且分子轨道理论可牢固地支撑了形状与电子结构之间的内在联系。尽管在该领域已有超过一个世纪的进步，但过渡金属配合物的几何形状仍仅限于一些易于理解的例子。六坐标配位过渡金属的原型几何形状为八面体和三棱柱形，尽管与理想键角和键长的偏差经常出现，但其他能替代的几何形状却极为罕见。六边形的平面配位环境是已知的，但仅限于缩合的金属相，配位聚合物的六边形孔隙或紧密相邻的包含多个过渡金属的团簇。[Ni(PtBu)6]已经考虑过这种几何形状；然而，对分子轨道的分析表明，这种配合物最好被描述为具有三角平面几何形状的16电子产物。英国帝国理工学院的Mark R. Crimmin教授报道了一个简单的配位化合物的分离和结构表征，其中六个配体与六边形平面排列的中央过渡金属形成化学键。该结构包含被三种氢化物和三种镁基配体包围的中心钯原子。这一发现有可能为过渡金属配合物引入其他设计原理，并涉及多个科学领域。文献链接: A hexagonal planar transition-metal complex (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1616-2)4. 通过成分来调整高熵合金中的元素分布，结构和性能高熵合金是一类材料，其中包含五个或更多个近等原子比例的元素。它们非常规的成分和化学结构有望实现前所未有的机械性能组合。此类合金的合理设计取决于对几乎无限的组成空间中的复合物-结构-性质关系的理解。浙江大学余倩教授、佐治亚理工大学Ting Zhu教授和加州大学伯克利分校的Robert Ritchie教授使用原子分辨率化学映射来揭示广泛研究的面心立方CrMnFeCoNi高熵合金和新型面心立方合金CrFeCoNiPd的元素分布。在CrMnFeCoNi合金中，五个组成元素的分布相对随机且均匀。相比之下，在CrFeCoNiPd合金中，钯原子的原子尺寸和电负性与其他元素显着不同，其均质性大大降低。这五个元素趋向于表现出更大的聚集，初始浓度波的波长小至1-3纳米。所得的纳米级交替的拉伸和压缩应变场导致对位错滑移的相当大的抵抗力。应变实验中的原位透射电子显微镜显示，从塑性变形的早期开始就存在大量的位错交叉滑移，从而导致多个滑移系统之间存在很强的位错相互作用。CrFeCoNiPd合金中的这些变形机理与Cantor合金和其他面心立方高熵合金中的明显不同，这是由于成分的明显波动和堆垛层错能量的增加而引起的，从而导致了较高的屈服强度而应变硬化和拉伸延展性丝毫不受影响。映射原子级元素分布为理解化学结构提供了机会，从而为调整组成和原子构型以获得出色的机械性能提供了基础。文献链接: Tuning element distribution, structure and properties by composition in high-entropy alloys (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1617-1)5. 在较宽的温度范围内，基于氧化物的多层电容器具有很大的电热效应利用磁热材料和电热材料中的场驱动转变的热泵利用再生，通过相对较大的温度范围将散热器与负载分离。但是，原型的性能受到限制，因为由永磁体驱动的实际磁热工作体和由电压驱动的电热工作体显示的温度变化高达3K。英国剑桥大学的X. Moya教授和N. D. Mathur教授以及日本村田制造公司的S. Hirose教授发现，当一阶铁电相变在290-K居里温度以上，使用29.0 V/μm电场超临界驱动时，高质量的PbSc0.5Ta0.5O3多层电容器在较宽的起始温度范围内显示出较大的电热效应。大中心区域的温度变化在室温下接近5.5 K峰值，对于跨越176 K的起始温度超过3 K（完全热化会将这些值减小到3.3 K和73 K）。因此，PbSc0.5Ta0.5O3的多层电容器可以代替磁热冷却装置中的工作体，从而可以在不使用体积庞大且昂贵的永磁体的情况下重新利用既定的设计原理。文献链接: Large electrocaloric effects in oxide multilayer capacitors over a wide temperature range (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1634-0)6. 特定位点的烯丙基C-H键与铜键结合的氮中心自由基官能化选择性C-H键功能化的方法为化学家提供了广泛而强大的合成工具箱，例如无需长时间进行新颖合成即可对铅化合物进行后期修饰。鉴于有大量可用的HAT受体以及可用于生成的自由基中间体的反应途径的多样性，通过氢原子转移（HAT）裂解sp3 C-H键特别有用。然而，位点选择性仍然是一个巨大的挑战，特别是在具有可观性能的sp3 C-H键之间。如果中间基团可以进一步被对映选择性地俘获，这应该能够实现C-H键的高位和对映选择性官能化。上海有机化学研究所刘国生教授与香港科技大学林振阳教授合作报道了铜（Cu）催化的复杂烯烃的定点和对映选择性烯丙基CH氰化，其中以Cu（ii）结合的氮（N）为中心的自由基在实现精确的定点HAT中起关键作用。事实证明，该方法可有效收集各种含烯烃分子，包括空间要求结构和复杂的天然产物及药物。文献链接: Site-specific allylic C–H bond functionalization with a copper-bound N-centred radical (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1655-8)7. 非芳香壁纳米空间在过去的几十年中，已经报道了数种笼罩着纳米孔的分子笼，主体和纳米孔材料，包括配位驱动的纳米笼。在其他应用中，这种纳米笼已广泛用于分子识别、分离、稳定化和促进异常化学反应。分子宿主内大多数报告的纳米空间都具有芳香壁，芳香壁的特性有助于确定宿主-客体的行为。然而，由于非芳香族化合物的不稳定性，尚未开发出具有被抗芳香族壁包围的纳米空间的笼子。因此，非芳香剂壁对纳米空间性质的影响仍然未知。英国剑桥大学的Jonathan R. Nitschke教授演示了在由四个具有六个相同的非芳族壁的金属离子组成的自组装笼子中，一个非芳族壁纳米空间的构造。计算表明，围绕该纳米空间的非芳族部分的磁效应彼此增强。结合的客体分子的1H核磁共振（NMR）信号证实了这一预测，由于周围环的综合非芳族脱屏蔽作用，在高达百万分之24（ppm）的化学位移值下观察到该信号。该值与游离客体的值相差15 ppm，是迄今为止所观察到的非芳烃环境导致的最大1H NMR化学位移。因此，可以将这种笼子视为NMR移位试剂，将客体信号移动到通常的NMR频率范围以外，并为进一步探究非芳香族环境对纳米空间的影响开辟了道路。文献链接: An antiaromatic-walled nanospace (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1661-x)8. 通过"单击"功能性肽束制备具有可控组装和刚性的聚合物生物分子的工程设计是功能强大的精密材料设计中的关键概念。生物分子具有广泛的功能和结构，包括化学识别（例如，酶底物或配体的化学识别），精致的纳米结构（由肽，蛋白质或核酸组成）以及不寻常的机械性能（如丝状强度，刚度，粘弹性和弹性）。美国特拉华大学的Christopher J. Kloxin教授、Darrin J. Pochan教授和宾夕法尼亚大学的Jeffery G. Saven教授将物理（非共价）相互作用的计算设计与分层的“点击”共价组装相结合，以生产基于混合合成肽的聚合物。这些聚合物的纳米级单体单元是低分子量肽的同四聚体，α-螺旋束。这些捆绑的单体或“捆绑剂”可以设计为完全控制化学官能团的稳定性，大小和空间显示。束的蛋白质状结构允许精确定位不同束缚剂末端之间的共价键，从而产生有趣且可控制的物理特性的聚合物，例如刚性棒，半柔性或扭结链以及热响应性水凝胶网络。长链的刚度可以通过仅改变连接来控制。此外，通过控制沿捆扎机外围的氨基酸序列，作者使用特定的氨基酸侧链（包括非天然的“点击”化学功能）将部分缀合为所需的样式，从而能够创建各种各样的杂化纳米材料。文献链接: Polymers with controlled assembly and rigidity made with click-functional peptide bundles (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1683-4)9. 双回旋嵌段共聚物的软物质晶体中的介原子畸变超分子软晶体是由复杂成分的分级单元组装形成的周期性结构，并存在于各种各样的“软物质”系统中。基于通用对称性原理，此类软晶体展现出其“硬物质”原子固体对应物的许多基本特征和特性。软物质晶体的“介原子”构建基块由分子组组成，这些分子的亚单位细胞结构与超单位尺度对称性紧密耦合。迄今为止，用于表征软物质的详细局部结构，特别是用于量化多尺度可重构性影响的高保真实验技术非常有限。美国莱斯大学的Edwin L. Thomas教授和麻省大学Gregory M. Grason教授通过应用切片和显微镜技术在较大的标本体积上重建溶液浇铸的嵌段共聚物双螺线管的微米级域形态，可以清楚地表征其超单位和亚单位细胞的形态。这种多尺度分析显示，在响应力的作用下，双螺旋软晶体和硬晶体在结构松弛方面存在定性且未得到充分认识的区别，即子单元对称性断裂的非仿射模式，在较大范围内一致地保持多单元尺寸。受晶体生长过程中不可避免的应力的影响，相对较软的双螺线管网络的支杆长度和直径可以轻松适应变形，而角几何形状却很僵硬，即使在强烈的对称破坏变形下也能保持局部相关性。这些特征与硬质晶体的刚性长度和可弯曲角度形成鲜明对比。文献链接: Seeing mesoatomic distortions in soft-matter crystals of a double-gyroid block copolymer (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s-41586-019-1706-1)10. 干双面胶带，用于粘附湿组织和设备两个干燥的表面可以通过诸如氢键，静电相互作用和范德华力相互作用的分子间作用力立即相互粘附。然而，当涉及诸如人体组织的湿表面时，这种即时粘附是有挑战性的，因为水将两个表面的分子分开，阻止了相互作用。尽管组织粘合剂在缝合方面具有潜在的优势，但是现有的液体或水凝胶组织粘合剂存在以下局限性：粘合力弱，生物相容性低，与组织的机械匹配性差以及粘附形成缓慢。麻省理工学院的Zhao Xuanhe教授提出一种替代性的组织粘合剂，其形式为干式双面胶带（DST），由生物聚合物（明胶或壳聚糖）和接枝N-氢琥珀酰亚胺酯的交联聚丙烯酸组合而成。这种DST的粘附机制取决于从组织表面去除界面水，从而导致与表面的快速临时交联。随后与组织表面上的胺基进行共价交联进一步改善了DST的粘附稳定性和强度。在体外小鼠、体内大鼠和离体猪模型中，DST可以在五秒钟之内实现各种湿动态组织与工程固体之间的牢固粘附。DST可用作组织粘合剂和密封剂，以及将可穿戴和可植入设备粘附到湿组织上。文献链接: Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices (Nature, 2019, DOI:10.1038/s41586-019-1710-5)11. 单层Bi2Sr2CaCu2O8+δ中的高温超导尽管氧化铜高温超导体构成了复杂多样的材料族，但它们都共享分层的晶格结构。这个奇怪的事实引发了一个问题，即在隔离的单层氧化铜中是否可以存在高温超导性，如果存在，那么二维超导性和各种相关现象是否与它们的三维对应性不同。答案可能会提供有关维数在高温超导中的作用的理解。复旦大学张远波教授和中国科学技术大学陈仙辉教授开发了一种制造工艺，该工艺可获得高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8+δ的本征单层晶体。单层铜氧化物的最高超导转变温度与最佳掺杂体的最高一样高。与传统的二维超导体大大降低的转变温度相比，缺乏对转变温度的尺寸效应而无法满足Mermin-Wagner定理的期望。单层Bi-2212的性能变得极为可调；作者对各种掺杂浓度下的超导性、伪能隙、电荷阶数和Mott状态的调查表明，这些相与本体中的相没有区别。因此，单层Bi-2212显示了高温超导的所有基本物理原理。这个结果建立了单层氧化铜作为研究二维高温超导性和其他强相关现象的平台。文献链接: High-temperature superconctivity in monolayer Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1718-x)12. 可扩展的亚微米增材制造在广泛的应用领域中，产生具有纳米级特征的任意复杂的三维结构的高通量制造技术被寄予很大的期望。基于双光子光刻（TPL）的亚微米增材制造有望填补这一空白。但是，TPL的串行逐点写入方案对于许多应用程序来说太慢了。并行化尝试没有亚微米分辨率，或者无法对复杂结构进行图案化。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室通过在空间和时间上聚焦超快激光器来实现基于投影的逐层并行化，克服了这些困难。这将吞吐量提高到三个数量级，并扩展了几何设计空间。作者通过在几毫秒的时间刻度内打印宽度小于175纳米的纳米线（比横截面积大一百万倍）来证明这一点。文献链接: Scalable submicrometer additive manufacturing (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav8760)13. 使用固体电解质直接电化学合成高达20％的纯H2O2水溶液过氧化氢（H2O2）合成通常需要大量的后反应纯化。美国莱斯大学汪淏田教授报道了一种直接电合成策略，该策略将氢气（H2）和氧气（O2）分别输送到由多孔固体电解质隔开的阳极和阴极，其中电化学生成的H+和HO2-重组形成纯H2O2水溶液。通过优化用于双电子氧还原的功能化炭黑催化剂，作者在高达200毫安/平方厘米的电流密度下实现了对纯H2O2的> 90％的选择性，这表示H2O2生产率为3.4毫摩尔/平方厘米/小时。通过调节流过固体电解质的水流速，可以获得高达20％的各种浓度的纯H2O2溶液，并且催化剂在100小时内保持了活性和选择性。文献链接: Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aay1844)14. 非常规超导体β-Bi2Pd中半量子通量的观察磁通量量化是超导体的定义特性之一。美国约翰霍普金斯大学的C. L. Chien教授报道了超导β-Bi2Pd薄膜的介观环中半整数磁通量量化的观察。半量子磁通量在超导临界温度的量子振荡中表现为pi相移。此结果验证了β-Bi2Pd的超常规超导性，并且与自旋三重态配对对称性相符。这个发现可能对量子计算中的通量量子位有影响。文献链接: Observation of half-quantum flux in the unconventional superconctor β-Bi2Pd (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aau6539)15. 协同吸附剂分离技术，从四组分混合物中一步纯化乙烯乙烯（C2H4）的纯化是化学工业中最大的问题，目前涉及能源密集型过程，例如化学吸附（去除CO2），催化加氢（C2H2转化）和低温蒸馏（C2H6分离）。尽管先进的物理吸附剂或膜分离技术可能会降低能量输入，但一步一步去除多种杂质（尤其是痕量杂质）仍然不可行。西北工业大学陈凯杰教授联合爱尔兰利默瑞克大学Mike Zaworotko教授、David G. Madden博士和美国南佛罗里达大学Brian Space教授，首次实现了在四组份体系下乙烯的一步高效分离制备。利用三种高性能超微孔金属有机框架材料之间的协同作用，实现了一步分离制备。通过有效地串联三种MOF材料在单一吸附柱内，能够分别将乙炔，乙烷和二氧化碳依次高效地去除，从而在吸附柱尾端实现高纯度乙烯的一步分离收集，而且这种吸附分离工艺在常温下就能进行，有利于节约能耗。文献链接: Synergistic sorbent separation for one-step ethylene purification from a four-component mixture (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax8666)

自谷雨节气以来，杭城人民感受到了一场又一场春雨的“热情”。无论是路边的花草树木还是田间地头的农作物，亦或是声声啼叫的鸟儿都在庆祝这场春雨的盛会。大雨过后，天空开始放晴，放眼望去，天空澄澈如洗，花草树木经过春雨的洗礼后显得愈发的清新秀丽。此刻，我们除了能够感受到春天的勃勃生机，还能够闻到空气中弥漫着的沁人心脾的泥土芬芳。可是，你知道这种泥土的气味是如何产生的吗？事实上，这种气味并不是泥土本身带有的味道。众所周知，土壤是地球表面的一层疏松的物质，是地球植物赖以生存的根本。而一个地区土壤的类型依赖于当地的气候和降雨、地形、水在本地区的运动、矿产成分和形成土壤的岩石碎片、栖息在土壤里的动物、生长在这里的植物、附近的人类活动等众多因素。这些不同的因素使得每一种土壤都具有特殊的混合成分。不过大体上来看，土壤主要是由各种颗粒状矿物质、有机物质、水分、空气、微生物等组成。其中，微生物占比较高。据显微镜观测，一克土壤里包含数亿度个微生物，即便是在荒无人烟的沙漠，一克砂土中也有十万多个微生物存在。正是这些不计其数的微生物向空气中释放出来的挥发性有机化合物(VOCs)构成了泥土的气味。科学研究发现，在土壤中生存的诸如跳虫一类的小型动物能够以土壤当中的放线菌和真菌为食，并且它们的触角能够捕捉到这些微生物释放出来的土臭素和2-甲基异茨醇等挥发性有机化合物分子，进而确定这些微生物的具体位置。然而，近期发表在《自然-微生物学》上的一项研究表明，虽然释放出气味的放线菌容易使自己的位置暴露，但是它同时也在利用这些跳虫进行繁殖。在研究过程中，研究人员利用气相色谱分析了一种天蓝色链霉菌产生的挥发性有机化合物。然后，他们观察跳虫对这些挥发性有机化合物的反应状况，发现，不仅是土臭素，合成土臭素的一些中间产物和副产物也能引跳虫触角上的电生理反应。另外，研究人员还发现，天蓝色链霉菌产生的挥发性有机化合物只对跳虫产生生理反应，其他土壤中的小型动物对此则没有明显反应。了解了链霉释放的挥发性有机化合物对跳虫的独特吸引力，那么聪明的链霉菌又是如何借助于跳虫进行繁殖的呢？据了解，链霉菌在进入繁殖期时会产生大量的子代孢子，这些孢子相当于植物的种子，是放线菌得以无限繁衍生息的根本所在，然而这些孢子不能自己运动。要想不断扩张领地，提高孢子的存活几率，链霉菌唯有借助于外部的力量。好在大自然的万千生物在千百万年的历史演化当中，早已进化出了各种有利于后代繁衍生息的方法。正如蒲公英的种子借助于风，大豆的种子借助于成熟豆荚的弹跳力，椰子的果实借助于海水的漂浮，众多树木的果实借助于动物皮毛的粘性及粪便一样，链霉菌通过释放挥发性有机化合物吸引跳虫前来把自己吃掉。一方面，当被吸引的跳虫前来觅食链霉菌时，其体表就已经在无意之中帮助了链霉菌孢子的扩散；另一方面，被吃掉的链霉菌其孢子仍然能够在跳虫肠道内存活，然后借助于跳虫粪便最终实现长途“旅行”的目的。当然，链霉菌除了能喂饱跳虫肚子外，其产生的多种抗生素还能够帮助跳虫杀死体内的病原体。因此，对于跳虫来说，链霉菌不失为一种“养生保健”的营养品了。事实上，在大自然中，类似于跳虫与链霉菌之间的互惠互利的共生关系普遍存在。这些生物彼此之间看似争锋相对、水火不容，实则合作共赢、共同进化，彼此之间的默契相处共同营造出了平衡运转的自然生态系统。今天迎来了一年一度的世界地球日，在此，小编希望大家都能够关爱自然，守护我们共同的地球家园，切莫让人类活动打破生态系统的平衡。资料来源参考：科技日报、百度百科

研究人员在工作。新华社发嫦娥四号着陆地点和抛射月幔物质的芬森坑 新华社发编者按：人类同疾病较量最有力的武器就是科学技术，人类战胜大灾大疫离不开科学发展和技术创新。疫情发生以来，全国科技战线积极响应党中央号召，有关部门组成科研攻关组，确定临床救治和药物、疫苗研发、检测技术和产品、病毒病原学和流行病学、动物模型构建等五大主攻方向，组织跨学科、跨领域的科研团队，科研、临床、防控一线相互协同，产学研各方紧密配合，在很短的时间内就取得了积极进展，为疫情防控提供了有力科技支撑，这背后是我国近年来基础科学的迅速发展。日前，我国基础科学领域的2019年度十大进展发布，从中我们可以看到我国基础研究的硬实力。日前，有2600余名专家学者参与网上投票的2019年度中国科学十大进展揭晓：探测到月幔物质出露的初步证据、构架出面向人工通用智能的异构芯片、提出基于DNA检测酶调控的自身免疫疾病治疗方案、破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能、基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃、阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理、青藏高原发现丹尼索瓦人、实现对引力诱导量子退相干模型的卫星检验、揭示非洲猪瘟病毒结构及其组装机制、首次观测到三维量子霍尔效应等10项重大科学进展入选。1.探测到月幔物质出露的初步证据中国的嫦娥四号探测器最近成功着陆在月球背面SPA区域的冯·卡门撞击坑内，并利用搭载的月球车——玉兔2号开展了巡视探测。中国科学院国家天文台李春来研究组与合作者，报告了玉兔2号上配置的可见光和近红外光谱仪（VNIS）的初步光谱探测结果，分析发现了低钙（斜方）辉石和橄榄石的存在，这种矿物组合很可能代表了源于月幔的深部物质。进一步的地质背景分析表明，这些物质是由附近直径72公里的芬森撞击坑挖掘出来、并抛射到了嫦娥四号着陆地点的月幔物质。这一工作的意义在于揭示了月幔的物质组成，为月球早期岩浆洋研究提供了新的约束条件，加深了对月球内部形成及演化的认识。玉兔2号将继续探索冯·卡门撞击坑底部的这些物质，以了解它们的地质背景、起源和组成，为未来开展月球样品采样返回任务提供依据。2.构架出面向人工通用智能的异构芯片发展人工通用智能（AGI）的方法一般有两种：以计算机科学为导向或以神经科学为导向，将两者结合是目前公认的最佳发展AGI的路径。由于它们的构想和编码方案有着根本的不同，这两种方法依赖于截然不同且互不兼容的计算平台，构建一个二者集成的计算平台非常困难，从而阻碍了AGI的发展。因此，发展一个能够同时支持流行的基于计算机科学的人工神经网络和受神经科学启发的模型和算法的通用平台非常重要。清华大学施路平研究组与合作者提出了一种天机芯片架构，它高效集成了上面的两种方法，提供了一个异构集成的协同计算平台。该芯片采用多核结构、可重构构件和流线型数据流的混合编码方案，既能同时独立支持基于计算机科学的机器学习算法和神经科学主导的算法以及神经科学中的多种编码方案，还支持两者的异构混合建模，提供新的解决方案。研究人员仅使用一个芯片，演示了无人驾驶自行车系统中通用算法和模型的同步处理，实现了实时目标检测、跟踪、语音控制、避障、过障和平衡控制。该项研究有望为更通用的硬件平台发展铺平道路并推动AGI的发展。3.提出基于DNA检测酶调控的自身免疫疾病治疗方案病毒的种类成千上万，其感染特点和致病方式也是千变万化，但是万变不离其宗的是，当病毒入侵时，其自身的遗传物质会不可避免地被带入到宿主细胞中。机体针对这些外源遗传物质（如DNA等）迅速做出反应，甚至不惜以伤及自身为代价，这是病毒感染导致致死性炎症的主要原因。关于外源DNA诱发免疫反应的认识可以追溯到上百年之前，然而其背后的机理并不清楚。2013年，这一领域国际上取得了重要突破，科学家鉴定发现蛋白质cGAS（环鸟苷酸-腺苷酸合成酶）是胞内DNA病毒感受器。随着cGAS被揭示，科学家发现在检测病毒入侵以外，cGAS的异常激活也直接导致一类自身免疫疾病。因此，寻找有效控制cGAS活性的手段并探究其调控机理，对抵抗病毒感染及自身免疫疾病的治疗都至关重要。军事医学研究院（国家生物医学分析中心）张学敏和李涛研究组与合作者发现，乙酰化修饰是控制cGAS活性的关键分子事件，并揭示了其背后的调控规律。研究不但揭示了机体抗病毒感染的关键调控机制，还发现了有效的cGAS抑制剂，为AGS（艾卡迪综合征）等自身免疫疾病提供了潜在治疗策略。4.破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云研究组报道了海洋硅藻——三角褐指藻FCP的高分辨率晶体结构，揭示了蛋白支架内的7个叶绿素a、2个叶绿素c、7个岩藻黄素以及可能的1个硅甲藻黄素的详细结合位点，从而揭示了叶绿素a和c之间的高效能量传递途径。该结构还显示了岩藻黄素与叶绿素之间的紧密相互作用，使能量通过岩藻黄素高效地传递和淬灭。该研究团队进一步与清华大学生命科学学院隋森芳研究组合作，解析了硅藻的光系统II（PSII）与FCPII超级复合体的分辨率为3.0埃的冷冻电镜结构。该研究率先破解了硅藻、绿藻光合膜蛋白超分子结构和功能之谜，不仅对揭示自然界光合作用的光能高效转化机理具有重要意义，也为人工模拟光合作用、指导设计新型作物、打造智能化植物工厂提供了新思路和新策略。5.基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃中国科学院物理研究所柳延辉研究组与合作者基于材料基因工程理念开发了具有高效性、无损性、易推广等特点的高通量实验方法，设计了一种Ir-Ni-Ta-（B）合金体系，获得了高温块体金属玻璃，其玻璃转变温度高达1162K。新研制的金属玻璃在高温下具有极高强度，1000K时的强度高达3.7千兆帕，远远超出此前报道的块体金属玻璃和传统的高温合金。该金属玻璃的过冷液相区达136K，宽于此前报道的大多数金属玻璃，其形成能力可达到3毫米，并使其可通过热塑成形获得在高温或恶劣环境中应用的小尺度部件。该研究开发的高通量实验方法具有很强的实用性，颠覆了金属玻璃领域60年来“炒菜式”的材料研发模式，证实了材料基因工程在新材料研发中的有效性和高效率，为解决金属玻璃新材料高效探索的难题开辟了新的途径，也为新型高温、高性能合金材料的设计提供了新的思路。6.阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理钙钛矿太阳能电池是广受关注的新一代光伏技术，而其工作稳定性是目前产业化的主要障碍。传统研究主要通过组分优化、封装、界面改性和紫外光过滤等来有效抑制如氧气、水分和紫外光等因素导致的性能下降，从而提升器件的稳定性。然而要进一步提高器件的寿命，需要发展一种长期有效的方法以抑制使役过程中材料的本征缺陷。为提高本征稳定性，北京大学工学院周欢萍研究组、化学与分子工程学院严纯华/孙聆东研究组及其合作者提出，通过在钙钛矿活性层中引入铕离子对（Eu3+/Eu2+）作为“氧化还原梭”，可同时消除Pb0和I0缺陷，进而大幅提升器件使用寿命。有趣的是，该离子对在器件使用过程中没有明显消耗，对应的器件的效率最高达到了21.52％（认证值为20.52％），并且没有明显的迟滞现象。同时，引入铕离子对的薄膜器件表现出优异的热稳定性和光稳定性，在连续太阳光照或85℃加热1000小时后，器件仍可分别保持原有效率的91％和89％；在最大功率点连续工作500小时后保持原有效率的91%。该方法解决了铅卤钙钛矿太阳能电池中限制其稳定性的一个重要的本质性因素，可以推广至其他钙钛矿光电器件，对于其他面临类似问题的无机半导体器件也具有参考意义。7.青藏高原发现丹尼索瓦人中国科学院青藏高原研究所陈发虎研究组、兰州大学张东菊研究组联合德国马普学会进化人类学研究所Jean-Jacques Hublin研究组等合作者，报道了一个利用古蛋白质分析方法鉴定为丹尼索瓦人的下颌骨，该下颌骨来自于中国甘肃省夏河县的白石崖溶洞。研究人员通过对化石上附着的碳酸盐结核进行铀系法测年，确定下颌骨至少有16万年的历史。该化石标本是丹尼索瓦洞以外发现的首件丹尼索瓦人化石证据，对标本的全面分析也为丹尼索瓦人研究提供了丰富的体质形态学信息，包括下颌和牙齿形态等信息。该项研究表明，早在现代智人到来之前，丹尼索瓦人在中更新世晚期就已经生活在青藏高原高海拔地区，并成功地适应了高寒缺氧环境。8.实现对引力诱导量子退相干模型的卫星检验量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。然而，任何试图将量子力学和广义相对论进行融合的理论工作都遇到极大困难。目前关于如何融合量子力学和引力理论的讨论，模型众多，但都普遍缺乏实验检验。中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、范靖云等与合作者，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上率先在太空中开展了引力诱导量子纠缠退相干的实验检验，对穿越地球引力场的量子纠缠光子退相干情况进行测试。根据“事件形式”理论模型预言，纠缠光子对在地球引力场中的传播，其关联性会概率性地损失；而依据现有的量子力学理论，所有纠缠光子对将保持纠缠特性。最终，卫星实验检验结果并不支持“事件形式”理论模型的预测，而与标准量子理论一致。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试融合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验，将极大地推动相关物理学基础理论和实验研究。9.揭示非洲猪瘟病毒结构及其组装机制非洲猪瘟病毒（ASFV）是一个巨大而复杂的DNA病毒，能够引发家猪、野猪患急性、热性、高度传染性疾病，发病率和死亡率可高达100%，对生猪养殖产业链造成巨大经济损失，目前尚未有可用的疫苗。中国科学院生物物理研究所饶子和/王祥喜团队和中国农业科学院哈尔滨兽医研究所步志高团队联合上海科技大学等单位，在上海科技大学冷冻电镜中心连续收集了高质量数据，采用一种优化的图像重构策略，解析了非洲猪瘟病毒衣壳的三维结构，其分辨率达到4.1埃。结构细节揭示了衣壳稳定性和组装的分子基础，对非洲猪瘟疫苗的研发具有十分重要的理论指导意义。10.首次观测到三维量子霍尔效应南方科技大学物理学系张立源研究组、中国科学技术大学物理学系乔振华研究组及新加坡科技设计大学杨声远等合作，在块体碲化锆（ZrTe5）晶体中首次实验实现了“三维量子霍尔效应”。研究人员对碲化锆体单晶进行了磁场下的低温电子输运测量，在一个相对低的磁场下达到了极端量子极限状态（只有最低朗道能级被占据的）。在该状态下，研究人员观测到了一个接近于零的无耗散纵向电阻，并沿着磁场方向形成了一个正比于半个费米波长的很好的霍尔电阻平台，这些是三维霍尔效应出现的确凿标志。理论分析还表明，该效应源于在极端量子极限下电子关联增强产生的电荷密度波驱动的费米面失稳。通过进一步提高磁场强度，纵向电阻和霍尔电阻都急剧增加，呈现出金属-绝缘体相变。该研究进展提供了三维量子霍尔效应的实验证据，并提供了一个进一步探索三维电子体系中奇异量子相及其相变的很有前景的平台。（本文来源：科学技术部高技术研究发展中心〈基础研究管理中心〉，本报记者袁于飞整理）

2020年，注定是不同寻常的一年，突如其来的新冠疫情给全世界带来沉重打击，如今疫情已经持续一年，却仍未见停止的趋势，面对疫情，我们既感受到了人类身体的渺小，也感受到了科学精神的伟大。荀子曰：君子生非异也，善假于物也。如今，我们最能凭借的力量便是科学。在2020年的尾声，Nature盘点了2020年度十大科学发现，这其中即包括新冠病毒研究、冷冻电镜突破、压力导致白发的原因、HIV治疗、银河系中的快速射电暴，以及古代陵墓中发现的乱伦等等。这十大科学发现，包括了14篇研究论文，其中2篇发表在 Science杂志，其余均发表在Nature 杂志。1、压力是如何让头发变白的2020年1月22日，哈佛大学许雅捷团队在Nature 杂志发表了题为：Hyperactivation of sympathetic nerves drives depletion of melanocyte stem cells 的研究论文【1】。论文第一作者为张兵博士。该研究首次揭示了压力引起白发这一现象的具体机制：压力启动了作为战或逃反应一部分的交感神经系统，对毛囊中的色素干细胞造成了永久性损害。这些发现有助于研究压力对各种器官和组织的广泛影响，也为寻找阻止和逆转压力破坏性作用的方法指出方向。张兵博士（左）和许雅捷教授（右）2、银河中的快速射电暴2020年11月4日，Nature杂志同期发表了三篇论文，首次在银河中观测到快速射电暴【2、3、4】。快速射电暴（FRB）是已知宇宙中射电波段最强的爆发现象。它们持续时间极短，释放能量巨大，起源众说纷纭，是现代天文学一大谜题。目前该领域最紧迫的任务是寻找快速射电暴的对应天体。这三项最新观测证实极强磁场中子星（磁星）是快速射电暴的来源之一。这是天文学家第一次观测到位于银河系内的快速射电暴。也是目前唯一被观测验证的可以产生快速射电暴的天体。中国天眼值得一提的，第三篇论文来自中国团队，第一作者为北京师范大学林琳博士，观测结果来自中国的射电望远镜（FAST）——天眼。这也说明了中国的天文学家可以凭借中国的望远镜做出世界一流的研究成果。林琳3、在史前贵族陵墓中发现的乱伦证据陵墓外部2020年6月17日，爱尔兰都柏林三一学院的研究团队在 Nature 发表了题为：A dynastic elite in monumental Neolithic society 的研究论文【5】。陵墓内部研究团队对爱尔兰一座大约5000年前的史前陵墓中埋葬的人类遗骸进行了基因测序，发现了这个恢弘的陵墓的惊人秘密——墓中所埋葬之人是乱伦所生，他的父母要么是亲兄弟姐妹，要么是父母与子女。研究团队推测，这座恢弘的陵墓中所埋葬的贵族，是把乱伦作为维持贵族血统的方式。4、激活并杀死潜伏的HIV病毒2020年1月22日，美国埃默里大学的研究人员在 Nature 发表了题为：Robust and persistent reactivation of SIV and HIV by N-803 and depletion of CD8+ cells 的研究论文【6】。HIV病毒可以“潜伏”在人类细胞中，几乎不转录，因此无法被人体免疫系统检测到。研究团队通过“激活并杀死”（shock and kill）的方法，通过药物激活这些潜伏的HIV病毒转录，从而让免疫系统更好地识别和清除HIV病毒。5、冷冻电镜突破原子分辨率2020年10月21日，Nature 杂志同期发表了两项冷冻电镜领域突破性研究论文【7、8】，Nature 称之为“打开全新宇宙”。这两项研究，将冷冻电镜分辨率提高到单个原子水平，这一里程碑式的突破，巩固了冷冻电镜在绘制蛋白质结构图谱中的主导工具地位。有助于研究人员了解蛋白质的生理和病理机制，并有助于开发出副作用更少，效果更好的药物，而这些是其他成像技术（如X射线）无法做到的。6、揭秘挑食行为2020年3月4日，瑞士洛桑大学的研究人员在 Nature 发表了题为：Olfactory receptor and circuit evolution promote host specialization 的研究论文【9】。Drosophila sechellia 是黑腹果蝇的近亲，与黑腹果蝇不同的是，它们相当挑食，仅以有毒的诺丽果为食。它们为何如此挑食呢？研究团队通过CRISPR-Cas9基因编辑技术，破解了这一谜题，研究团队发现一种气味受体蛋白Or22a在Drosophila sechellia 的感觉神经元中表达的比在其他果蝇中更丰富，导致了这种果蝇的挑食行为。这项研究表明，小小的果蝇也可以为大脑如何进化以塑造复杂行为提供有力见解。7、干扰素缺乏会导致新冠重症2020年10月23日，Science杂志同期发表了两项新冠研究论文，揭示了I型干扰素（IFN）缺失在重症COVID-19患者中扮演的重要角色【10、11】。这两篇论文分别从两个角度报道了I型干扰素（IFN）缺失在重症COVID-19患者中扮演的重要角色：至少3.5%重症COVID-19患者存在与I型干扰素相关的常染色体遗传的基因位点突变；至少10％重症COVID-19肺炎患者体内存在针对I型干扰素自身中和性抗体。这两项研究发现非常重要，首先，对于新冠病毒感染的患者可以进行筛查，通过检测I型IFN相关基因及自身中和性抗体水平，预测患者发展成重症肺炎的倾向。其次，这一发现为治疗干预提供了一条选择，包括血浆置换等。8、物质与反物质的镜像对称性被打破日本超级神冈探测器2020年4月15日，日本T2K中微子合作组在 Nature 发表了题为：Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations 的研究论文【12】。T2K合作组收集了2009年到2018年间中微子和反中微子的数据。通过结合其他的中微子振荡实验，研究人员已经理清了转换概率对于不同参数的依赖性并给出了CP破缺证据。实验结果以95%的置信度排除了CP守恒（这意味着发生了CP破缺），同时还显示CP破缺参数很可能很大。这些结果可能是宇宙中物质-反物质不对称性起源的最早标志。9、臭氧层空洞的恢复2020年3月25日，美国科罗拉多大学博尔德分校的 Antara Banerjee 等人在Nature 发表了题为：A pause in Southern Hemisphere circulation trends e to the Montreal Protocol 的研究论文【13】。1980年代中期，科学家发现在南极上空的臭氧层中出现了空洞，这揭示了人造臭氧消耗物质（ODS）对臭氧层的威胁。南极的臭氧层空洞也一直影响着南半球的大气环流。1987年《蒙特利尔议定书》及其后续修正案禁止了消耗臭氧层物质的生产和使用。该论文研究了大气环流的变化与南半球臭氧层恢复之间的关系，研究结果显示，南半球臭氧层的恢复是履行《蒙特利尔议定书》的直接结果。10、用卫星绘制地球树木地图2020年10月14日，丹麦哥本哈根大学和美国NASA合作，在 Nature 发表了题为：An unexpectedly large count of trees in the West African Sahara and Sahel 的研究论文【14】。研究团队通过对覆盖西撒哈拉和西非萨赫勒地区超过130万平方公里的高分辨率卫星图像的分析，绘制了超过18亿棵树木的位置和大小。毫无疑问，这一进步将推动人类对全球陆地生态系统的思考，监测，建模和管理方式的根本变化。论文链接：1、https://www.nature.com/articles/s41586-020-1935-32、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2863-y3、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2872-x4、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2839-y5、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2378-66、https://www.nature.com/articles/s41586-020-1946-07、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2833-48、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2829-09、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2073-710、https://science.sciencemag.org/content/370/6515/eabd457011、https://science.sciencemag.org/content/370/6515/eabd458512、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-013、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2120-414、https://www.nature.com/articles/s41586-020-2824-5参考资料：https://www.nature.com/articles/d41586-020-03514-82019年热文TOP101. 逆转2型糖尿病的大牛又发文了：2型糖尿病是简单的疾病，减肥或逆转病情！2. 刚刚，Science发布2019十大科学突破！3. Science重磅！西兰花“唤醒”抗肿瘤基因4. 读者泪目！《柳叶刀》全中文发表中国医学博士「家书」：给父亲的一封信5. 《Science》重磅！汝之“蜜糖”，吾之“砒霜...”6. 喝酒，尤其还脸红的人，或面临更高的痴呆风险7. Nature重磅！第一个完全合成且彻底改变DNA密码的生物诞生了8. 这不是一颗大榛子！Science发表新型口服胰岛素，或将取代传统注射9. Science为防秃顶支招：先从不脱发开始...10. 改变精子速度，可以影响后代性别？

来源：科技日报戴德昌团队首次在“膜宇宙”模型的基础上研究虫洞结构生成机制。他们的研究成果首次跳出了传统虫洞研究方法。◎本报记者 过国忠通 讯 员 张 运 荐小纯在科幻电影中，总少不了通过虫洞实现时空穿越的桥段。自虫洞的概念诞生以来，科学家们一直在讨论利用其实现时空穿越的可能性。但发现虫洞，甚至构建或穿越虫洞，一直是物理学研究前沿最热也是最难解的“悬案”。3月30日，科技日报记者了解到，国际知名期刊《欧洲物理杂志C辑》日前以封面文章的形式介绍了扬州大学引力与宇宙学研究中心戴德昌教授团队完成的最新研究成果。值得关注的是，这项研究成果首次跳出传统虫洞研究方法，从“膜宇宙”的角度探讨构建“类虫洞”的可能性及方法。迄今为止没有人发现虫洞什么是虫洞？“很多人对虫洞的理解，停留在科幻作品中的时空通道。”戴德昌说，但在科学家看来，虫洞却是一个经过严格数学推理的物理模型。戴德昌介绍，1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到第一个“黑洞解”，即如果质量过度集中于空间中，其周围会形成一个连光都无法脱离的区域。“这个区域的边界称为视界面。在视界面内的事物都会‘陷入’黑洞中无法挣脱。”戴德昌说。1935年爱因斯坦和内森·罗森对史瓦西的黑洞解做了一个线性代换，形成一个新的度规(规定变量值或点的位置的一种方法)。这个新的度规显示当物质经过“黑洞视界”(即视界面)后，会进入另一个世界。根据这个解，爱因斯坦预言，宇宙中存在一种连接着不同时空的特殊通道即虫洞，人们可以通过穿越这种通道的方式减少宇宙旅行的时间和距离。“虽然爱因斯坦的广义相对论从数学上预测了虫洞的存在，但迄今为止还没有人发现它。”戴德昌说。从观测恒星的运动偏差入手2016年，美国激光干涉引力波天文台捕捉到两个黑洞合并产生的引力波时，发现这个引力波有回声，于是有人猜测，这个回声是经由虫洞传到对边，又返回来形成的。受此启发，戴德昌团队开始研究引力波或电磁波穿越虫洞引起另一侧扰动的可能性。团队认为，在虫洞对面的东西会影响我们自身宇宙的引力或重力加速度，所以研究大质量星体(或黑洞)附近的恒星运动，就可以确定其有没有受到来自其他世界或物质的影响。如果恒星的运动速度偏离现有理论预言，就表示有可能存在未知的物质或虫洞。经过慎重的计算与筛选，团队选择位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A星(位于银河系银心的一个非常光亮及致密的射电波源，很可能是离地球最近的超大质量黑洞所在处)附近的恒星S2进行观测，力图捕捉到虫洞踪影。“观测数据虽仍在进行中，目前尚不能完全证明虫洞的存在，但我们已经形成了系列间接成果。”戴德昌说。2019年，戴德昌团队在国际知名杂志《物理评论D辑》上发表文章，团队研究发现虫洞所连接的宇宙可以和我们宇宙里面的物质产生交互作用。该项研究成果得到诺贝尔奖得主美国加州理工大学教授基普索恩极高评价，美国《纽约时报》以“如何穿越虫洞”为题对该项研究成果进行了大幅报道。“类虫洞”尚不能保证结构稳定如何穿越虫洞？“近100年来，虫洞以其独特的魅力吸引着无数科学家投身到穿越时空的探索中。”戴德昌说，虽然深空探测的技术一直在升级迭代，相关理论也在不断求新求变。但穿越虫洞一直是一个遥不可及的梦想。“虽然人们很早就从理论上证明了虫洞的存在，但当前主流的理论却认为虫洞无法用作星际穿越。”扬州大学引力与宇宙学研究中心教授王元君说。王元君介绍，在广义相对论中，虫洞极度弯曲，无法稳定存在，需要负能量支撑。而根据目前的理论，在宏观尺度上是无法制造出负能量的。另外，理论认为真空量子扰动可能会提供局部负能量，进而形成微观虫洞，但是其相关机理和形成机制，目前还无法应用到宏观领域。但令人惊喜的是，戴德昌团队的最新研究为探寻虫洞带来了新的转机。“我们团队首次在‘膜宇宙’模型的基础上研究虫洞结构生成机制。”戴德昌说，所谓“膜宇宙”指的是科学家们认为我们的宇宙是在更高维时空中的一片膜。“两张膜上物质间的引力作用可以抵抗膜的张力，并造成膜变形，最后两个物质可能会吸附在一起，并把膜连结在一起。”戴德昌说。“如果膜没有反弹回去，就会形成一个新的拓扑结构。”戴德昌说，“这样的效应很像虫洞。因此我们称之为‘类虫洞’结构。”为了验证这种“脑洞大开”的想法，团队展开了大量理论计算探究“类虫洞”的形成条件。戴德昌介绍，他们团队选择两个与太阳质量相当的物体，计算了两个膜(平行宇宙)之间合理的张力值和距离大小。研究发现，两个宇宙形成“类虫洞”的条件，取决于膜的张力条件。极端条件下，如果张力为零，任何两个质量不为零的物体间都可能形成“类虫洞”结构。他们的研究还发现，在一定的膜张力下形成“类虫洞”，如果这两个大质量物体是黑洞的话，那么它们之间即便形成虫洞也无法通过，因为物质无法穿过黑洞视界。但如果两个大质量物体是中子星或者其他不存在视界面的物体，那么理论上它们之间形成的虫洞是可通过的。因而，戴德昌团队首次从物理学角度证明了宏观领域穿越虫洞的可能性。此外，团队还采用膜的张力来替代负能量所扮演的角色。“在我们团队的设想中是不需要额外的负能量来制造虫洞的。这为构建虫洞提供了一个全新的思路。但目前还不能保证这种‘类虫洞’结构的稳定性。”戴德昌说。戴德昌最后介绍，为了验证这个想法，我们仍需要对这类“类虫洞”稳定性进行全面分析，这也是团队未来进一步重点研究的方向。

化学方法类的改进也是医药化工领域技术研发和改进的重要类型，主要包括制备方法、加工方法、后处理方法、应用改进等，它们在专利挖掘过程中存在共同的特点可以采用类似的专利挖掘手段。企业可以根据化学方法类技术改进的不同方面，进行专利挖掘工作，以明确对其进行专利挖掘可以采用的手段。化学方法改进本身。对化学方法改进自身进行研究时，通常要研究该化学方法改进能够解决的技术问题，所能达到的技术效果，并确定出达到相应技术效果的关键因素。因此，在对化学方法改进本身进行专利挖掘时，要注意挖掘关键因素，将其作为核心的发明点，对化学方法中的其他因素进行适度扩展化学方法改进角度扩展。化学方法所涉及的影响因素众多，其中可以影响反应效果的因素非常多，因此在完成化学方法改进本身的研究工作之后，通常会对化学方法改进的角度进行扩展研究，研究化学方法所涉及的众多因素中，哪些还可能会影响到化学反应的结果，哪些改进可以解决相同的技术问题，并达到相同的技术效果。在对该部分进行挖掘时，需要挖掘出可以达到相同技术效果的其他因素，从而扩展专利方法改进的角度，挖掘出更多不同的化学方法改进方式。可应用范围的扩展研究。多种化学方法之间经常有相互之间可以借鉴的地方，针对某一种化学方法的改进经常可以扩展应用到类似的其他化学方法中，甚至可能扩展到差別较远的其他化学方法中，因此，需要注意对化学方法改进可能的应用进行扩展研究。在对该部分进行挖掘时，需要尽可能挖掘出所有可能应用的方法，从而实现对相应技术改进进行应用范围的扩展挖掘。化学方法类的改进，可能会对所得产品的结构、组成和性能产生影响，会得到不同的产物。因此，还需要对相应化学方法可获得的产品进行研究。此时，需要挖掘出所的产品与现有产品的不同，从而针对相应不同的部分进行重点挖掘，得出与现有产品不同的产品。涉及化学物质的研究。化学方法中会用到多种化学物质，例如原料、催化剂、助催化剂、改性剂、分散剂（乳化剂）等，有时还会涉及中间产物，例如化合物的中间体、聚合物的聚合中间产物等。这些涉及的化学物质都会对化学反应的进行产生重要影响，因此，需要对其进行研究。在该阶段进行专利挖掘时，需要挖掘所有可以达到相应效果的化学物质，对各种化学物质进行全方位的挖掘，得出所有可能的化学物质，特别是所涉及的催化剂、中间产物等。专业知识产权服务机构北京和信华成知识产权代理事务所（和信华成）成立于2011年，分别在银川、西安、长沙、泉州、惠州等12处设立了分支机构，团队约三百多人，是国家知识产权局批准的专利代理机构（机构代码11390）。截止目前，和信华成累计服务过中国科学院力学研究所、共享集团、北新集团、东芝医疗、东阿阿胶、北京中交、山东霞光等知名企业约七百多家。和信华成根据企业的业务领域和发展情况，为企业进行规划和设计，通过知识产权贯标体系为抓手，把专利布局设计、专利挖掘和专利申请融入到企业的发展中进行全盘考虑，以知识产权为基础，串联各种资质、政府项目（我司是宁夏贯标、湖南贯标等地区的政府合作辅导机构之一）、无形资产增资、企业融资上市等企业发展所必不可少的环节，为企业在发展的不同阶段适时添砖加瓦。