中国科学技术大学 10 月近期科研成果丰硕！从材料科学到生物化学，从量子物理到环境保护，众多领域取得重要突破，快来和皖考圈一起看看吧！

1、中国科大在钙钛矿软X射线探测器件领域取得重要进展

近日，中国科学技术大学微电子学院胡芹特任研究员课题组在钙钛矿软X射线探测器研究中取得新进展。团队基于钙钛矿半导体薄膜缺陷调控和PIN垂直型器件结构设计策略，实现了目前钙钛矿软X射线探测器中的最高量子效率。相关成果发表于国际知名期刊Advanced Materials上，并被选为卷首插图（图）。

研究团队首先针对软X射线特点，结合光场分布模拟，优化了钙钛矿PIN垂直型光电二极管结构，最大化增加钙钛矿活性层的光吸收。特别的，采用纳米网络电极，使软X射线可以通过多尺度电极网络被活性层吸收，减轻了上电极遮挡的同时不降低载流子的提取和传输。其次，研发团队构筑了多维钙钛矿异质结，降低钙钛矿半导体薄膜缺陷，减小载流子复合的同时降低器件暗电流，提高光电响应。最终该器件在室温下达到目前已知报道的钙钛矿软X射线探测器中的最高量子效率。各项性能参数接近硅基商业化器件水平，且在基于同步辐射线站的高通量软X射线辐照下依然保持良好的稳定性。基于该高性能器件结构，团队还成功在柔性基底上制备了软X射线探测器，并实现了曲面线性成像阵列。最后，针对空间探测等极端环境应用需求，团队验证了钙钛矿器件在10-383 K极限温度范围内的工作稳定性。以上研究证明了钙钛矿半导体光电器件在新一代适应复杂光学系统的柔性软X射线成像探测系统中的应用潜力。、

2、中国科大开发人工神经网络算法实现对低温电子器件与电路的高精度建模与验证

日前，中国科大郭光灿院士团队固态量子计算研究组郭国平教授与微电子学院iGaN实验室孙海定教授合作，开发并优化了一套人工神经网络算法并应用于射频功率器件及其电路的设计与实验验证，并在超宽温域范围获得器件级和电路级的高精度建模。团队提出了基于人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）算法的氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）器件在宽温域（极低温4.2K至室温300 K）的建模方法，实现了对GaN基HEMT直流和射频特性的快速、高精度建模，并实现了对器件关键性能指标超99%精度的预测。基于该紧凑型器件和模型，团队进一步设计和制备了GaN基单片微波集成电路（MMIC），验证了该模型在电路级的泛化能力和鲁棒性。这项研究成果发表于功率电子学领域重要期刊《IEEE电力电子新兴和精选主题杂志》。

为了更好地推动GaN HEMT在极端环境电子系统中的应用，需要能够精确描述器件特性的高低温紧凑模型，并基于此设计相应的电路系统。在本工作中，研究团队基于前馈神经网络（feed forward neural network,FFNN）和反向传播算法，首次完成了GaN HEMT器件在4.2 K至300 K温度范围内，针对不同工作温度、不同器件尺寸、不同偏置条件、不同工作频段下的器件特性和电路特性的精确建模（图）。

在量子计算蓬勃发展的今天，基于GaN基HEMT的低温器件和电路系统有着极大的应用潜力，而对于这一新型的低温电子系统而言，精确的ANN基紧凑型模型能够高效地应对来自后摩尔时代近阈值建模、量子效应、极端条件和异构集成等方面的建模挑战，实现设计工艺协同优化（Design Technology Co-optimization,DTCO）流程，同时实现高精度和快速度的建模流程。该工作为探索极低温GaN基器件与电路在固态量子计算中的应用提供了新思路。

图.基于人工神经网络的紧凑模型。(a) ANN的结构和建模流程；(b) 前馈神经网络结构

3、中国科大在深度净化含⁹⁹Tc放射性废水方面取得一系列

重要成果

核电厂运行、核事故应急、乏燃料后处理与核设施退役、以及医用同位素应用等过程都会产生大量的对人类健康和生态环境构成潜在威胁的含⁹⁹Tc放射性废水，发展含⁹⁹Tc放射性废水高度减容和深度净化处理技术至关重要。

为此，核科学技术学院辐射防护课题组陈志副教授团队利用双阳离子策略通过两步法成功构建了具有高电荷密度和丰富活性位点的双阳离子共价有机聚合物（DCOP）材料。光谱表征结合理论计算的结果显示，DCOP呈现片状结构，具有优越的多孔性和一定的热稳定性能，这是利于⁹⁹TcO4-的去除。利用非放射性的ReO4-模拟研究，批量实验结果表明，DCOP对ReO4-具有超快的去除动力学(30 s内R> 99%)、高去除容量(708.9 mg/g)、高选择性(在NO3-和SO4²-超过1000倍时R分别为77.5%和85.5%)、优异的稳定性(在1M HNO3, 1M NaOH, 240 kGy γ辐射等极端条件下)、良好的可回收性(6次)和高应用潜力(模拟Hanford废液中R为90.7%)。本研究显示了双阳离子共价有机聚合物在提高核废水中⁹⁹TcO4-/ReO4-去除效率方面的巨大潜力，为设计核废水处理的高性能COP材料提供了新的有价值的策略。相关成果近日分别发表于国际知名期刊Chemical Engineering Journal和Journal of Environmental Chemical Engineering。这是自今年2月该课题组发表在国际知名期刊Journal of Hazardous Materials上以来，又一次取得的系列重要进展。

4、中国科大在纳米级空间分辨红外成像及催化研究中取得新进展

中国科学技术大学国家同步辐射实验室、精准智能化学重点实验室姚涛教授团队在纳米级空间分辨红外成像及催化研究中取得新进展。研究团队通过多模态红外成像和原位同步辐射X射线吸收谱技术，首次从实验上直接观察到活性物种在催化剂表面的空间分布，并进一步建立了不同间距下Ir-Co协同催化活性与其空间位置的固有相关性。相关研究成果发表在国际学术期刊《美国化学会志》。

研究团队依托合肥国家同步辐射实验室自由电子激光原子力显微-红外光谱（AFM-IRFEL）实验站对Ir-Co双位点协同催化甲酸氧化反应进行了深入研究。AFM-IR联用AFM和IR光谱技术，同时获得样品局域结构和化学指纹信息，最佳空间分辨率优于10 nm。结合共振增强技术，进一步提高检测灵敏度，从而实现单分子层样品的高灵敏度探测。研究团队发现Ir-Co催化剂中C-O信号和O-H信号在空间上高度重叠，为协同催化的实现提供直观可视化证据。此外，红外光谱中 C-O 信号的峰位偏移为反应物种间的协同作用提供了有力的谱学证据。高空间分辨成像结果揭示了反应物种在催化剂表面裂缝处的集中分布，裂缝区域表现出显著的活性。这些区域的独特结构，如悬挂键和缺陷是其高催化活性的主要来源。材料表面成像差异反映了位置相关的催化反应活性，为化学反应路径和催化活性的调控提供了重要的科学指导。

5、中国科大在《化学会评论》发表多形体纳米晶评述论文

近日，英国皇家化学会《化学会评论》发表了中国科学技术大学俞书宏院士课题组的评述论文“Polytypic metal chalcogenide nanocrystals”（Chem. Soc. Rev.,2024, 53, 9832-9873），评述了金属硫属同质异相（多形体）纳米晶的最新研究进展。

在评述论文中，作者全面总结了金属硫属多形体纳米晶的合成方法及相关应用的最新研究进展，重点介绍了II-VI、铜基三元和铜基四元硫属多形体纳米晶。系统地讨论了金属硫属化合物的晶体结构、胶体化学法合成多形体纳米晶以及各种因素对多形体合成的影响（图）。该团队研究了多形体纳米结构因其独特的空间结构和特殊的带隙排列方式所带来的独特物理性质，而这些性质在简单的纯物相纳米材料中难以实现。随后，作者还综述了金属硫属多形体纳米晶在光伏、光催化、晶体管、热电、应力传感器等领域的最新应用进展。最后，作者对多形体纳米晶研究领域的未来发展进行了展望，提出了主要存在的机遇及挑战的个人见解。

6、中国科大在非平衡动力学普适性研究方面取得重要进展

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、彭新华教授研究组和清华大学翟荟教授研究组、复旦大学张鹏飞研究员等人合作，通过实验和理论的密切结合，在非平衡量子多体动力学的研究中取得重要进展，揭示了随机相互作用自旋模型中的非平衡动力学普适性行为。相关研究成果发表于国际著名学术期刊《自然物理》。

该研究在难以于经典计算机上模拟的量子多体自旋模型中发现了一种新的非平衡量子多体动力学的普适性行为，为利用量子信息技术发现新的物理规律提供了一个很好的例子。另外，实验中所采用的方法和手段也为其他物理体系（如超冷原子分子、NV色心系综等）提供了新的思路与借鉴。该研究对这类复杂系统的理解和量子科学技术的发展具有重要的现实意义，有望引起物理学多个不同领域的广泛兴趣。

7、中国科大在蛋白质从头设计方法研究中取得重要进展

中国科学技术大学生命科学与医学部刘海燕教授、陈泉教授团队开发了一种不依赖于预训练结构预测网络的蛋白质主链去噪扩散概率模型SCUBA-D，可自动从头设计主链结构，或指定功能位点生成主链结构。大量的实验结果验证了SCUBA-D的设计成功率和设计精度。相关成果发表于Nature Methods。

本文报道的SCUBA-D（SCUBA-diffusion）模型，是基于深度学习的主链设计算法的迭代升级。SCUBA-D能够基于不同输入执行多类蛋白质结构设计任务（图a）。在模型设计上，通过在扩散模型训练中引入对抗损失（adversarial loss）（图b）,避免生成模型产生物理上不可行的结构，实现了高成功率的主链结构设计。由于没有使用已有结构预测网络作为预训练降噪网络，SCUBA-D能够在设计中避免对已知天然结构的过度偏好，可发现已有模型在可设计蛋白质结构空间中的盲区。

团队对SCUBA-D在多类蛋白质从头设计任务中的应用进行了实验验证。针对单体结构从头设计任务，团队对共计70条设计序列进行了实验表征，其中近80%的序列（53条）可溶表达，实验解析的16个高分辨晶体结构与目标结构高度一致（主链原子位置均方根位移在0.96到2.11 Å之间）。在小分子结合蛋白设计任务中，团队对非经典血红素降解酶进行了保留结合位点的主链结构重设计，对设计的12条序列进行实验验证，其中5条具有与血红素的结合能力，三条序列与血红素的亲和力与天然蛋白相当或高于天然蛋白。在结合蛋白设计任务中，30个人工设计的Ras结合蛋白14个与Ras有相互作用，其中3个设计蛋白与Ras的结合亲和力与天然蛋白相当，复合物晶体结构更进一步验证了设计的精确度。

8、中国科大实现噪声增强的里德堡原子电场探测

中国科大郭光灿院士团队在基于里德堡原子的微波传感方向取得新进展。该团队项国勇、邹长铃等人研制出一种新型的噪声鲁棒且可实现连续探测的里德堡原子微波探测装置，利用了里德堡原子系综里多体效应引起的强相互作用，实现强微波背景噪声下待探测弱信号的显著增强和信噪比提升。该成果发表在国际学术期刊《科学进展》上。

在前期基于里德堡原子微波传感的研究基础上，项国勇等人结合基于随机共振理论和里德堡原子系综里的多体效应产生的强非线性提出了噪声增强的微波测量方案。研究人员通过系综里的多体效应引入强非线性产生双稳现象，并利用一个很强的噪声微波场进行辅助，实现了对另一个弱探测信号的放大。相较于工作在线性区域的外差探测法，研究人员实现了25dB的功率值放大和6.6dB的信噪比提升。值得一提的是，这类新型非线性原子微波传感器具有很多优势：（1）非线性可调：操作人员可以通过调节系统参数改变系统的非线性大小，适应不同类型的噪声环境。（2）噪声鲁棒：噪声可以通过人工引入或者仅仅利用系统噪声进行信号放大；并且噪声形式可为随机白色噪声或者有色噪声。（3）可连续测量：该微波接收机工作于系统临界点附近，且可持续进行微波测量。（4）兼容性好：该方案可兼容目前任意一种原子微波测量或者通信方案。另外，研发人员正在对该类新型微波传感器进行进一步升级和改造：比如可通过提升原子-微波相互作用体积来提升绝对灵敏度，通过引入多能级协助提升信号接收带宽等。该方案在多种场合下具有应用潜力：比如基于里德堡原子的微弱信号检测，噪声背景下的微波通信以及微波成像等。

9、中国科大揭示大气活性氮沉降对巢湖氮负荷的重要贡献

N、P等营养元素的来源和转化利用机制是影响湖体水质和藻华爆发的重要因素。长期以来，巢湖N来源的监测一直关注在径流输送上。传统观点认为，地表河流输送是主要来源，忽略了对大气沉降贡献的评估，这主要受限于大气沉降监测技术和沉降通量量化评估手段的不足。为了定量评估大气沉降对巢湖N收支的影响，中国科学技术大学地球和空间科学学院耿雷、刘晓东教授团队与广州地化所王新明研究员团队以及安徽省巢湖管理局合作，利用大气化学传输模式结合大气N沉降观测数据，系统评估了巢湖氮负荷的多来源贡献。结果显示，在2022年，大气总氮沉降量约占巢湖年总氮输入量的18%，而对于能直接被生物吸收利用的活性氮成分，大气沉降的年总贡献可达约25%，而在旱季与某些月份该贡献甚至超过了50%。

此外，对所有入湖河流氮输入的分析结果表明，河流氨氮输入量近五年来显著降低，但总氮输入量无明显变化，显示有机氮的排放在逐渐增加。由于有机氮也有可能会被生物转化利用，因此在对含氮污染物治理时，也需要关注有机氮组分。相关研究成果近日发表于环境科学领域知名期刊Water Research (IF = 11.4)。

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