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《美研究人员发现人造光合体系中的关键中间步骤》

  • 来源专题：生物科技领域知识集成服务
  • 编译者： 丁陈君
  • 发布时间：2014-05-06

  • 模拟自然界如何捕获太阳能并转化为电化学能的过程而创建的人工光合作用被广泛认为是未来可持续能源组合中的重要组成部分。人工光合作用促进可再生液体燃料生产，且该过程不会加剧全球气候变化。该技术实现商业化规模的关键在于开发电催化剂，从而促使光合作用中的关键步骤——水的氧化反应高效低成本地进行。美国劳伦斯伯克利国家实验室物理生物科学部的化学家弗雷领导的小组获能源部科学办公室的资助，已在这一领域向前迈进了重要一步，研究成果发表于《自然-化学》期刊。

    在人工光合系统中，水分子氧化成氧气、电子和质子（氢离子）的过程为二氧化碳和水转化成液体燃料提供了所需的电子。该过程需要一个既能快速高效利用太阳光子，避免浪费光子；同时也应具备稳健性，可大量获取的催化剂。弗雷领导的小组在五年前发现单晶纳米颗粒状态下的氧化钴可满足上述条件。然而，充分挖掘氧化钴纳米晶体的催化潜力，需要更好地了解水氧化成分子氧经历的四电子周期中的各个步骤。为了在这方面提供相应的认知，研究小组使用了称为快速扫描傅里叶变换红外（FTIR）的光谱技术。

    应用地球上储量丰富的氧化钴为固体催化剂，该研究小组完成了对其中两个步骤的直接观察。这使他们能够确定该过程动能方面的瓶颈。在这些知识的基础上，科学家可以设计和改进氧化钴催化剂及其所需的支持环境，从而部分或完全消除这些瓶颈，提高水的氧化效率。

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相关报告

  • 《美国天体物理联合实验室（JILA）的研究人员发现了核时钟所需的最佳温度》
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-05-09
    • 几十年来，原子钟一直是精确计时的巅峰之作，使GPS导航、尖端物理研究以及对基本理论的测试成为可能。近日，由JILA和NIST研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授叶军领导的JILA研究人员与维也纳工业大学合作，正在推动某种物质的原子跃迁转向可能更加稳定的状态，从而满足核钟计时的要求。这个时钟可以利用钍-229原子核内一种独特的低能量跃迁来实现计时。与现代原子钟相比，这种跃迁对环境干扰的敏感度更低，并且已被提议用于标准模型以外的基础物理测试。 这个想法在叶军的实验室里并不新鲜。事实上，实验室对核钟的研究始于一项具有里程碑意义的实验，其结果去年作为《Nature》期刊的封面文章被发表。在该实验中，研究团队首次对掺钍的宿主晶体中的钍-229原子核的能量跃迁过程进行了基于频率的量子态分辨测量。这一成就证实了钍的核跃迁能够以足够高的精度被测量，以用作计时的参照。 然而，要构建一个精确的时钟，研究人员必须全面了解跃迁对外部条件（包括温度）的敏感程度。这就是这项新研究的意义所在——这是一篇发表在《Physical Review Letters》上的“编辑精选”论文，因为该团队研究了当含有钍原子的晶体被加热到不同温度时，钍原子核中的能量转移变化。 “这是对核钟系统特性进行描述的第一步，”该研究的第一作者、JILA博士后研究员Jacob Higgins博士说。“我们发现了一种对温度变化相对不那么敏感的跃迁，这正是我们想要构成的精密计时设备所需要的。” “固态核时钟有很大的潜力成为一种坚固便携且高精度的计时设备，”叶军指出。“我们正在为紧凑的核时钟确定具体的参数阈值，以使其能够保持10^-18的分数频率稳定性。” 由于原子核受环境干扰的影响比电子小得多，因此核时钟可以在原子钟失效的情况下保持准确性，因为核钟对噪声的抵抗力更强。在所有其他原子核中，钍-229特别适合用于构建核钟，因为它的核跃迁过程仅需要很低的能量，这使得研究人员可以使用紫外线而不是高能伽马射线来探测它。 与在囚禁离子系统中测量钍原子不同，叶军的实验室采用将钍-229嵌入固态宿主——氟化钙（CaF?）晶体中的方法来进行测量。这种方法由他们与维也纳工业大学合作开发的，与传统的离子陷阱探测技术相比，钍原子核的密度要高得多。更多的原子核意味着用于测量核跃迁的探测系统将有更强的信号和更好的稳定性。 为了研究温度对这种核跃迁的影响，研究人员将掺杂钍的晶体冷却和加热到三种不同的温度：用液氮冷却到150K（-123°C）、用干冰-甲醇混合物冷却到229K（-44°C）以及加热到293K（接近室温）。通过使用频率梳激光器，研究人员测量了在不同温度下核跃迁频率的变化情况，揭示了晶体内部两种相互竞争的物理效应。 一方面，随着晶体温度升高，它会膨胀，并使得原子晶格有微妙的变化，从而改变钍原子核所经历的电场梯度。这种电场梯度导致钍原子核的跃迁分裂成多条光谱线，这些光谱线随着温度的变化而向不同的方向移动。另一方面，晶格膨胀也改变了晶体中电子的电荷密度，改变了电子与原子核的相互作用强度，导致光谱线向同一方向移动。 当这两种效应争夺对钍原子的控制权时，研究人员观测到一个特殊的跃迁过程，其对温度的敏感性远低于其它跃迁，因为这两种效应在很大程度上相互抵消了。在所探测的整个温度范围内，这种跃迁仅偏移了62kHz，比其它跃迁中的偏移至少小了30倍。 “这种跃迁的探测结果对精确计时应用来说非常有前景，”JILA研究生Chuankun Zhang补充道。“如果我们能够进一步稳定它，它可能会在精准计时领域带来真正的变革。” 下一步，该团队计划寻找一个温度“最佳点”，即在这个点上核跃迁几乎完全不受温度的影响。研究人员的初步数据表明，在150K到229K之间的某个温度，跃迁频率将更容易稳定，这为未来的核时钟提供了理想的运行条件。 制造一种全新的类型的时钟需要量身定制的独特设备，其中大部分设备的现有加工工艺都不满足所需的条件。多亏了JILA的仪器车间及其机械师和工程师，该团队能够为他们的实验制造关键组件。 “Kim Hagan和整个仪器车间在整个过程中都非常有帮助，”Higgins指出。“他们加工了用于固定掺钍晶体的晶体支架，并构建了冷阱系统的部件，使我们能够精确地控制温度。” 拥有内部机械加工专业知识背景的研究人员能够快速迭代设计，并确保即使是很小的改动（例如更换晶体）也可以轻松完成。 “如果我们只使用现成的零件，就不会对我们的设备有同样的信心，”另一名团队成员JILA 研究生Tian Ooi补充道。“仪器车间制造的定制部件为我们节省了大量时间。” 虽然这项研究的主要目标是开发一种更稳定的核时钟，但其影响超出了计时领域。钍核跃迁对其环境的干扰非常不敏感，但对基本力的变化却高度敏感——其频率的任何意外变化，都意味着物理学上的新发现，例如暗物质的存在。 “核跃迁的敏感性可以促进我们对物理学新领域的进一步探索，”Higgins解释说。“除了制造更好的精确计时系统外，它还可以帮助我们打开研究宇宙新方式的大门。” 这项研究得到了美国陆军研究办公室、美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会、量子系统加速器，以及美国国家标准与技术研究院（NIST）的支持。
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  • 《面向关键核心技术领域的科技情报感知服务体系构建研究》
    • 来源专题：数智化图书情报
    • 编译者：闫亚飞
    • 发布时间：2023-07-11
    • 1.构建多主体合作的情报感知体系，实现智慧协同与情报流转 在科技情报感知体系中，情报协同主体始终居于主导地位，在情报感知的生命周期中，情报需求的感知则处于首要地位。早在二战时期，美国社会科学委员会、学术团体、情报领域学者、情报机构就联合建立战略情报局，以此识别国家的情报导向需求，这开创了学界与情报界协同合作的先河。中国科学院文献情报中心刘细文等人认为协同战略情报研究是未来科技情报的首要工作模式。在传统的科技情报协同平台中，领域专家一直处于核心位置。但是对于关键核心技术，仅依靠领域专家可能会存在思维定势及认知偏差等原因导致科技情报感知有误差。再加上关键核心技术本身具有的潜在性、颠覆性等特征使其更加难以被发现与感知，这就需要引入大众智慧，扩大情报响应范围，增强科技情报识别与预测的准确性、全面性、及时性。当然大众智慧并不是指所有群众或网民评选，更多是依靠该领域的长期关注者，人员选取主要包括该领域相关网站的核心用户、该领域的青年学者、企业、工业人员等，同时还应建立信任和激励机制，吸引其他学科领域群体持续广泛的参与。。从协同主体的组织模式出发，情报感知的各主体应形成良好的组织结构。一方面科技管理与决策部门应“下好全国一盘棋”，为关键核心技术的攻关建设国际一流的科技情报服务中心，发挥领导、统筹作用，提升科技情报感知能力;另一方面，其他情报协同主体应保持扁平化设计，彼此间形成横向沟通网络，以平等互惠的原则吸纳不同领域、不同行业的情报机构及人员，以此拓宽情报协同平台的网络结构。总体来说，关键核心技术领域情报感知协同平台的主体主要包括科技智库机构、科技管理部门、领域与战略专家、情报咨询机构及大众群体。由科技管理与决策部门作为主导，科技情报机构作为协同平台的情报枢纽，有效识别国家决策需求，分析关键核心技术的发展态势。同时，科技情报机构还需在协同平台中充分承担情报共享与情报重构的责任，实现不同主体间的情报流通无阻。领域专家与大众间则需实现智慧协同，以此弥补专家所存在的思维定势、晕轮效应等问题。由于关键核心技术本身具有很强的跨学科协同性，高校、科研院所作为主要技术研发机构，在情报协同平台中并非以传统的单兵作战形式，而是以多学科团队交叉形式存在，综合多领域科学团队的情报意见，以扩大高校、科研院所对关键技术的态势感知具有先天优势。 2.打造多源异构的科技情报数据库，实现全源情报挖掘 在情报感知的生命周期中，情报采集是扫描、评估、刻画等过程的前提，在面向关键核心技术的情报感知体系中，情报协同平台在精准识别情报需求后需对所需情报进行采集。对于关键核心技术领域情报感知服务体系中的数据来源，由于关键核心技术所具有的潜在性、前瞻性、应用性等特征，传统情报库信息已经难以应对。因此情报协同平台首先要充分拓宽科技情报的元数据来源，根据原有情报库结合专家、大众智慧以及特定领域网络信息搭建全领域、全类型科技情报知识库。领域网络信息是指特定技术领域的相关信息，既包括专利报告、科技期刊、图书等结构化数据，也包括各技术、新闻等门户网站信息、国外情报、科技等网站信息、知识社交平台信息等非结构化数据。特别是对于关键核心技术的前瞻性特质，各国情报科技部门往往会发布科技前瞻评估报告，如韩国科技评估与规划研究院(KoreaInstituteofScienceTechnologyE valuationandPlanning，KISTEP)公布的《KISTEP十大新兴技术》以及知名咨询公司高德纳(Gartner)每年发布的《十大战略科技发展趋势》等技术报告文件。尽管全领域、全类型的科技情报密度高、容量大，但是由于大国博弈高度情报对抗条件下的开源情报来源的不可靠性逐渐增加，开源情报的欺骗效应也渐渐被用作国际间科技竞争的新型工具。鉴于国防与军事技术的高度敏感性，融合开源情报的全源情报成为国防科技情报研究保障的关键形式 。因此，在针对关键核心技术领域的情报采集过程中需要由开源情报向全源情报逐渐转变，利用全源情报消除开源情报的不确定性。总体而言，情报协同平台既需要打造多源异构的科技情报数据库，也需要将目光转向全源情报的收集与利用，以全源性思维和全源性手段实现对全部情报来源、全部利益相关体、全部情报人员思想等要素的综合考虑和应用，以此加强对潜在关键性技术的感知。 3.设置多重扫描指标，实现关键核心技术情报识别第一，关键核心技术领域指标设定。关键核心技术的形成遵循“10→3→1”收敛轨迹，这表明关键核心技术是逐步遴选收敛出来的。由于情报采集与归纳的多源异构数据与全源情报，其数量庞大、形式多样，如何根据情报需求，确定攻克关键核心技术所需的科技情报是首要任务。目前公认的科技数据扫描方法主要为基于大数据的专家思想碰撞的方式，研究认为对于关键核心技术的隐蔽性及前瞻性，单一指标难以实现精准探测，因此关键核心技术指标的设定应包括广域扫描指标与特定领域扫描指标两种。广域扫描指标用于对多源异构数据库进行初步整体非定向扫描，以便用于专家遴选，根据其作用功能。根据关键核心技术的主要特质和学者们的研究，本文对初级指标的框架进行表述。对于颠覆性指标的设定，研究根据Christensen及栾春娟等等的研究，将其分解为四个维度，这四个维度分别代表了关键核心技术的不同颠覆领域。前瞻性的指标分为该技术是否对行业、技术具有预见作用，能够精准捕捉未来技术的发展态势。垄断性主要是指该技术具有难以模仿的特质，对于情报感知体系来说，还要精准判断该技术的研发能否保持长期垄断以及是否具有较高的垄断价值。潜在性的判别指标是要识别该技术目前的发展现状，是否为潜在性技术，同时该技术的潜在价值如何。夏绪梅等认为关键核心技术具有高投入的特性，同时政府还要判别投入所形成的成果产出，因此本研究将高投入性指标设为投入指标与产出指标。特定指标用于特定技术领域与交叉技术领域评审。由于关键核心技术具有交叉性、融合性、长期性，这需要对某个领域进行长期监测，同时还需多领域专家共同评审。因此该指标需要根据关键核心技术的本质特征与所在领域前沿技术特征相结合，根据不同领域、行业的现状，遴选不同专家进行指标设定。第二，关键核心技术领域数据扫描与识别。根据已设定的技术指标，情报感知体系将根据技术评价指标及专家智慧，对多源数据进行扫描与识别。对于广域技术扫描，其核心在于动态全域监测，监测范围广，监测结果粗度较高。对于特定领域技术扫描，其核心在于智能情报挖掘，识别特定技术领域与交叉技术领域发展态势，要求保持较细粒度。但是无论是广域扫描还是特定扫描，都需要对科技数据进行多轮迭代筛选，以此捕捉技术弱信号。由于地平线等扫描系统主要侧重于技术的热度、突变度等特征，缺乏综合维度的评估，难免存在误差，需要结合专家与大众智慧。即技术数据迭代筛选的过程也是人机协同的过程。因此科技情报数据识别的过程主要包括四个阶段。 a．科技数据初筛选。该过程是机器智慧的集中体现，需要同时对特定领域与非特定领域利用不同指标进行广域扫描。机器智慧首先利用大数据挖掘分析等方法对科技情报数据进行初步整体的非定向扫描，根据突变度、新兴度、热度等维度对潜在技术进行评估，同时根据初步指标对技术进行遴选，将机器识别为关键的技术存至技术清单1。对于特定领域及交叉领域所进行的定向扫描，机器智慧利用特定指标与交叉指标进行技术筛选，对认定为关键的技术存至技术清单2。对于清单2中的技术还需要利用机器智慧绘制技术交叉图谱、演化趋势图，辅助领域专家评审。 b．科技数据再筛选。该过程是专家智慧与大众智慧的集中体现。对于预选技术清单1，领域专家需要联合大众智慧，根据机器智慧所提供的相应技术信息，如技术突变点、研究机构、国家等结合初步指标进行关键技术判定，以此实现第一轮的智慧融入。专家评分后，将保留于清单1中的技术进行二轮迭代，同时在迭代中引入新探测技术。通过技术筛选的不断反复，逐渐完善技术清单1并交至数据平台。对于技术清单2，需要结合特定领域及跨学科的专家团队智慧，该领域专家根据机器提供的技术交叉图谱、演化趋势图进行分析，之后根据特定指标或交叉指标对技术清单2进行审验，发现清单漏洞并对谱系结构、技术演化图谱予以完善，之后进行多轮迭代，最后提交至数据平台。 c．科技数据提交。技术清单1与清单2录入数据平台后，由跨学科团队进行专家审定，验证其科学性，对于存在漏洞的技术清单应反交至上层清单，重新审验。之后根据科技管理部门情报需求按领域、按行业进行情报决策支持并将所需技术清单及相关情报提供给情报协同平台。 d．科技数据归档。即将最终所得技术清单进行分档归类，该过程由情报协同平台完成。情报协同平台需要综合全球核心技术领域知识库、案例数据库等分类原则，建立符合我国科技管理及相关部门所需的重点跟踪科技库和专题科技库。对于归档后的科技情报数据，应该保持定期监测，本文也基于此建立五维监测体系。 4.态势监测与技术演化导航，实现情报刻画与评估情报刻画可以被解释为“以促进感知的形式呈现。”正如钱学森曾说“情报是激活了的知识”。因此，情报刻画与评估便为情报感知的激活与具体展示。在科技情报感知体系中，情报刻画与评估的首要目的是根据扫描与识别的结果绘制关于关键核心技术的情报产品。情报产品主要包括场景模拟、技术监测与技术演变导航与图谱绘制。 4．1技术发展态势监测关键核心技术发展态势的监测包括监测该技术市场潜力、其他国家的应用案例、政策、监管与道德伦理问题等。通过了解海外先进技术最新发展情况，以及国外对该技术的应用政策、技术开发和部署情况，为我国科技管理部门提供决策支撑。事实上，欧盟早已经开展对关键核心技术的态势监测，其主要是从“技术”“领域”“国家”三个维度进行布局，以此实现技术监测。在我国也有学者根据学科分类体系对技术监测进行探讨。本文结合以往学者与国家的研究，建立“国家”“技术”“领域”“技术特质”“技术交叉”的五维监测体系。国家维度包括主要研发国家。对于产业领域维度，国际普遍使用《国际标准产业分类法》，本文依据该法案及欧盟的产业领域分类方法，将产业领域划分为27类。技术维度则为科技情报数据的识别成果，将所识别的关键核心技术归纳于产业领域之中，并发现其中的领域交叉与技术交叉，根据技术交叉绘制演化导航与交叉图谱。技术特征维度用于评估该关键核心技术的全面特征，指标主要使用已构建的交叉指标与特定指标。根据监测体系，还可以实现智能情报检索。比如利用监测体系分析美国在化工产业的关键技术发展现状、国家之间技术领域对比、识别潜在的技术交叉趋势等。 4．2技术演化导航与图谱绘制智能情报是技术演化导航与图谱绘制研究的起源。钱学森先生早在1983年便提出过智能情报的相关观念，并认为情报研究的发展需要长期与智能技术相结合。技术演化导航与图谱绘制是关键核心技术领域情报感知服务体系的主要成果之一。技术演变导航与图谱绘制的重要性在于将不同领域之间技术的交叉融合、技术演变的关键节点、技术分支脉络都予以诠释。对于已归档分类的科技情报数据，动态监测其发展态势是必不可少的程序。黄祥喜等提出构建智能情报检索系统，以此实现技术演变路径的快速导航。但以此方式实现的快速导航具有信息迟滞，同时难以实现更深层次的情报挖掘。本文认为利用场景模拟方法对五维检测体系中的技术演化进行模拟复现是实现导航的有效途径。利用场景模拟方法将分布在时间、空间不同维度的技术导航进行关联，发现潜在新兴交互技术。同时通过多场景模拟，对新兴技术应用的可能性、与其他技术之间的耦合性进行判断，以此提高潜在技术的挖掘。关键核心技术的谱系绘制还有利于分析科技演化路径的拐点、异常点、突变点，针对突变点进行情报搜集以实现预测情报服务。对于场景模拟的方式，则可以尝试众包激励，鼓励大众进行市场模拟或者利用数字孪生技术进行虚拟仿真。 4．5反馈科技需求，实现情报响应情报响应在《情报与文献工作辞典》中被定义为，情报接受者对情报产品的接收情况。在科技情报感知体系中，情报响应既是情报采集、情报扫描、情报刻画、评估的响应，也是将情报产品提供给科技管理部门的响应;既是情报过程的响应也是情报主体间的响应。就情报主体间的响应而言，该过程是情报协同主体根据我国科技决策部门的需求，响应情报感知体系在科技情报采集、扫描、识别、刻画、评估等方面的能力，提前感知“卡脖子”技术问题对我国经济、社会、政治等方面可能造成的影响，形成情报产品并将所生成的情报产品提供给科技决策管理部门，为我国关键核心技术的攻关提供情报需求的过程。通过情报响应，以期加强我国在前沿技术、关键核心技术等方面的科技预测、预测能力，支持我国科技发展决策，避免或减少我国科技安全与发展以及国家整体利益受到侵害。
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