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磁性微型机器人的自动化操控研究综述

控制理论与应用 2024年第4期41卷 667-680页

作者：刘佳徐天添吴新宇中国科学院深圳先进技术研究院广东深圳518055

微型机器人是指尺度在毫米及其以下(几百纳米到几毫米)的一类机器人,是机器人研究领域的一个重要分支.低强度电磁场无线操控的微型机器人,可以在狭小的空间运动,完成复杂的作业任务,在微操作、靶向药物输送和体内传感标记等生物医学研... 详细信息

微型机器人是指尺度在毫米及其以下(几百纳米到几毫米)的一类机器人,是机器人研究领域的一个重要分支.低强度电磁场无线操控的微型机器人,可以在狭小的空间运动,完成复杂的作业任务,在微操作、靶向药物输送和体内传感标记等生物医学研究中有着广泛的应用前景.经历几十年的发展,研究人员在机器人的结构设计、微纳制作和伺服控制方面贡献了许多重要理论和实践成果.本文旨在介绍自动化方法在磁性微型机器人中的应用,主要包含运动建模、闭环控制和路径规划方面的研究内容,并讨论磁性软体微型机器人在建模与运动控制方面存在的挑战.最后,提出磁性微型机器人在控制与规划方面的研究方向.

关键词：磁驱动磁性微型机器人磁性软体微型机器人闭环控制路径规划

可调谐的声学型石墨烯等离激元增强纳米红外光谱

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物理学报 2024年第13期73卷 336-345页

作者：段谕戴小康吴晨晨杨晓霞郑州大学河南先进技术研究院郑州450001 国家纳米科学中心中国科学院纳米科学卓越创新中心中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室中国科学院纳米标准与检测重点实验室北京100190 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

纳米红外光谱(nano-infrared spectroscopy,nano-IR)技术能够突破光的衍射极限,实现约10 nm空间分辨率的红外光谱检测,是研究纳米尺度物质化学成分和结构的重要技术手段.然而,由于纳米物质的尺寸与红外光的波长存在较大失配,导致其红外... 详细信息

纳米红外光谱(nano-infrared spectroscopy,nano-IR)技术能够突破光的衍射极限,实现约10 nm空间分辨率的红外光谱检测,是研究纳米尺度物质化学成分和结构的重要技术手段.然而,由于纳米物质的尺寸与红外光的波长存在较大失配,导致其红外吸收信号微弱.本文理论提出了一种基于纳米腔室的声学型石墨烯等离激元(nanocavity-acoustic graphene plasmon,n-AGP)可调谐增强nano-IR检测平台.该平台可实现超高光场压缩(模式体积Vn-AGP≈10-7λ_(0)~3,λ_(0)=6.25μm)和约50倍电场增强的n-AGP激发.通过调控金纳米腔室结构和石墨烯费米能级,我们实现了n-AGP的宽频段动态调控(1290—2124 cm^(-1)).此外,由于n-AGP的电磁场高度局域在纳米腔室内,具有高的探测灵敏度,可实现单个蛋白质颗粒酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带振动指纹特征的探测(灵敏度提高约9倍).这一基于n-AGP的增强结构拓展了nano-IR技术在单分子尺度的表征能力,可广泛应用于生物、催化等领域.

关键词：石墨烯纳米腔室等离激元表面增强红外光谱

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基于压电声子晶体板波声场的微粒操控

物理学报 2024年第7期73卷 218-223页

作者：王俊蔡飞燕张汝钧李永川周伟李飞邓科郑海荣吉首大学物理系吉首416000 中国科学院深圳先进技术研究院劳特伯生物医学成像研究中心深圳518055 医学成像科学与技术系统中国科学院重点实验室深圳518055

声镊可以非接触、无损伤地操控微粒,在细胞分离、组织工程、材料组装等领域具有广阔的应用前景.近期有研究利用声人工结构调控声场提升声镊性能,然而,与换能器分离的人工结构导致声镊装置复杂且操控现象不太稳定.本文基于压电声子晶体... 详细信息

声镊可以非接触、无损伤地操控微粒,在细胞分离、组织工程、材料组装等领域具有广阔的应用前景.近期有研究利用声人工结构调控声场提升声镊性能,然而,与换能器分离的人工结构导致声镊装置复杂且操控现象不太稳定.本文基于压电声子晶体板调制声场实现对微粒的灵活操控,其主要机制是由压电陶瓷片构成的压电声子晶体板可激发A0模式Lamb波模式和共振周期声场模式,板上微粒在这两个模式中分别受到平行于板面的声停驻力和垂直于板面的声捕获力或声悬浮力,从而实现排列、捕获、悬浮等多种模式的灵活操控.由于压电声子晶体板整合了换能器与声人工结构,该器件为研究高精度、低能耗、紧凑型声镊技术提供了物理基础和实验验证.

关键词：压电声子晶体声辐射力声镊微粒操控

影响钙钛矿/异质结叠层太阳能电池效率及稳定性的关键问题与解决方法

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物理学报 2024年第8期73卷 45-61页

作者：姚美灵廖纪星逯好峰黄强崔艳峰李翔杨雪莹白杨中能创低碳新能源科技(常州)有限责任公司常州213000 中国科学院深圳先进技术研究院深圳518000

高效且稳定的钙钛矿/异质结叠层太阳能电池是学术界与工业界共同探索的方向,目前小面积叠层太阳能电池效率优势已然非常明显,但在商业化推进过程中,叠层路线在电池结构设计与界面调控、钙钛矿材料选型与优化、器件尺寸放大以及稳定性等... 详细信息

高效且稳定的钙钛矿/异质结叠层太阳能电池是学术界与工业界共同探索的方向,目前小面积叠层太阳能电池效率优势已然非常明显,但在商业化推进过程中,叠层路线在电池结构设计与界面调控、钙钛矿材料选型与优化、器件尺寸放大以及稳定性等方面仍存在许多挑战.本文通过收集相关文献资料,包括实验数据和理论模拟结果,对钙钛矿/异质结叠层太阳能电池的研究现状进行分析,认为未来的研究方向可能涉及叠层顶电池的界面调控及组件互联结构设计等关键问题.因此,文章重点阐述钙钛矿/异质结叠层太阳能电池各关键材料层的优化选型、钙钛矿带隙优化与离子迁移抑制、层间界面传输调控、底电池连接层优化及组件互联与封装方式优化.基于现有研究成果对叠层太阳能电池技术进行了总结和探索展望,旨在为后续叠层太阳能电池结构设计的各关键问题提供方向性解决建议.

关键词：钙钛矿材料异质结太阳能电池两端子与四端子叠层结构商业化进程

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六氟钽酸氨拓扑转变制备低深能级缺陷Ta_(3)N_(5)光阳极实现超低偏压光电化学分解水

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第6期61卷 144-153页

作者：徐伟甄超朱华泽姚婷婷邱建航梁艳白朔陈春林成会明刘岗中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室辽宁沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110016 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心辽宁沈阳110016 中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所广东深圳518055

Ta_(3)N_(5)是一种具有2.1 eV直接带隙的n型半导体,其带隙跨越水的氧化还原电位.此外,Ta_(3)N_(5)的理论太阳能制氢效率(STH)高达15.9%,超过商业化应用的效率门槛(10%),是一种理想的光电化学分解水制氢光阳极材料.采用Ta2O5作为前驱体,... 详细信息

Ta_(3)N_(5)是一种具有2.1 eV直接带隙的n型半导体,其带隙跨越水的氧化还原电位.此外,Ta_(3)N_(5)的理论太阳能制氢效率(STH)高达15.9%,超过商业化应用的效率门槛(10%),是一种理想的光电化学分解水制氢光阳极材料.采用Ta2O5作为前驱体,在氨气气氛下高温氮化制备Ta_(3)N_(5)是一个由表及里的非均相氮化过程,该过程会产生大量的低价钽和氮空位等本征深能级缺陷,导致费米能级钉扎效应的产生,从而使得光生电压显著降低和光电流起始电位较高.因此,开发能够进行体相均相氮化的前驱体,以抑制Ta_(3)N_(5)深能级缺陷的产生,具有重要意义.本文采用气相溶剂热法,在钽箔上制备了一种六氟钽酸氨((NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6))化合物,并以其多面体锥阵列薄膜作为前驱体,通过可控的氮化过程将前驱体结构拓扑转变为低深能级缺陷含量的Ta_(3)N_(5)多孔阵列薄膜.在高温氮化过程中,(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)会释放含氮、氢和氟的气体小分子并形成贯穿体相的多孔通道,有利于氨气及氮化过程中产生的其他小分子物质的渗透,促进体相均匀氮化过程,避免生成大量的本征深能级缺陷.同时,(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)中的高电负性氟离子可以减弱Ta–O键,进一步促进氮化反应.扫描电镜和透射电镜(TEM)结果表明,制备的(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)是具有实心结构的多面体锥阵列薄膜,而拓扑转变所得的Ta_(3)N_(5)多面体锥薄膜具有多孔结构.X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱和稳态/瞬态光电压谱表征结果表明,通过(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)拓扑转变制备Ta_(3)N_(5)可有效抑制Ta_(3)N_(5)薄膜中深能级缺陷的形成.采用两种产氧反应助催化剂依次修饰后,XPS和TEM结果显示出助催化剂的双壳层结构与化学组成.光电化学分解水测试结果表明,所制得的Ta_(3)N_(5)光阳极在AM1.5G模拟太阳光的照射下,可展现出0.2 V_(RHE)(***)的极低光电流起始电位,且在1.23 V_(RHE)时的光电流密度可达3.28 mA cm^(–2),经过连续5 h的稳定性测试,仍能保持初始值的85%.此外,稳定性测试前后助催化剂的XPS和TEM结果表明,Ta_(3)N_(5)光阳极光电流下降的原因可能是产氧助催化剂中硼物种的消耗.而通过减小(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)多面体锥前驱体的尺寸,可以进一步减少Ta_(3)N_(5)薄膜中的本征深能级缺陷的含量,修饰助催化剂后可在0 V_(RHE)下展现出光电催化水氧化活性.综上所述,通过(NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6)新型前驱体拓扑转变制备了低深能级缺陷含量的Ta_(3)N_(5)光阳极,表现出极低的光电流起始电位,为构建无偏压下自发全分解水的低深能级缺陷浓度的Ta_(3)N_(5)光电极提供了一种新途径,该方法也可拓展至其他过渡金属氮化物的可控制备与缺陷调控.

关键词： (NH_(4))_(2)Ta_(2)O_(3)F_(6) 拓扑转变低缺陷Ta3N5 起始电位光电化学分解水

通过神经—内分泌—免疫—代谢网络互作维持的自愈体系理解中医药学原理

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中国科学基金 2024年第3期38卷 492-500页

作者：刘欣安贾艺聪王立平中国科学院脑联结解析与调控重点实验室/脑认知与脑疾病研究所/深圳先进技术研究院深港脑科学研究院中国科学院大学

中医药现代化是新时代生命科学的分支内容，也是全球前沿科学的重要方向之一。中医观点中“正气存内，邪不可干”,是指人体正气足，外邪就无法入侵导致疾病。中医的“正气”指的是机体免疫力，是机体自愈力的来源。现代前沿科学认为，... 详细信息

中医药现代化是新时代生命科学的分支内容，也是全球前沿科学的重要方向之一。中医观点中“正气存内，邪不可干”,是指人体正气足，外邪就无法入侵导致疾病。中医的“正气”指的是机体免疫力，是机体自愈力的来源。现代前沿科学认为，机体通过神经—内分泌—免疫—代谢网络的调控维持机体稳态平衡和健康；与之相统一的传统中医药理论藏象学说则认为，人体各脏腑相互联系，五脏化生，共同调动正气，正气盛则人体自愈力强。通过揭示机体稳态的网络调控机制有助于我们更好地理解中医药的整体观与精准干预，以及通过多靶点﹑多脏器的干预来发挥药物对疾病的治疗作用。运用前沿神经科学的思路及技术解读中医药学原理，以整体观与系统论为启发，以中医药临床与系统生物学等学科兼容并蓄，建立新的基础与临床研究框架，将推动还原论主导的现代医学体系与系统论启发的传统中医有效融合，推动藏象学说和自愈体系的调控理论在医学中运用。

关键词：神经—内分泌—免疫网络中药现代化藏象学说自愈体系

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成骨细胞程序性死亡的研究进展

中国骨质疏松杂志 2024年第3期30卷 385-390页

作者：梁松林成文翔张鹏李志超李念虎山东中医药大学山东济南250014 中国科学院深圳先进技术研究院广东深圳518055

成骨细胞是促进骨骼生成并维持骨强度的主要细胞类型,其功能异常可以直接导致骨强度下降。程序性死亡是细胞代谢的终末事件之一,目前共有五种常见的细胞程序性死亡:凋亡、自噬、铁死亡、焦亡和坏死性凋亡,它们彼此间既协作又拮抗,在细... 详细信息

成骨细胞是促进骨骼生成并维持骨强度的主要细胞类型,其功能异常可以直接导致骨强度下降。程序性死亡是细胞代谢的终末事件之一,目前共有五种常见的细胞程序性死亡:凋亡、自噬、铁死亡、焦亡和坏死性凋亡,它们彼此间既协作又拮抗,在细胞代谢的不同阶段响应不同刺激发挥影响,是细胞正常行使职能的前提。成骨细胞的程序性死亡对骨生成及骨稳态的维持至关重要,因此调节成骨细胞的程序性死亡有望对骨质疏松起到直接治疗作用。本文拟对骨质疏松中成骨细胞程序性死亡的作用及串扰关联进行综述,以期为调控成骨细胞死亡从而缓解骨质疏松的研究提供新的思路与参考。

关键词：成骨细胞凋亡自噬铁死亡焦亡坏死性凋亡

具有可控晶面的Co3O4催化剂用于高性能电化学析氯反应

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科学通报 2024年第25期69卷 3748-3756页

作者：茆志贤陈珊吉加鹏尹华杰中国科学技术大学中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所安徽省纳米材料与技术重点实验室环境与能源纳米材料研究中心材料物理重点实验室安徽大学物质科学与信息技术研究院中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所

电化学析氯反应（CER）是氯碱工业电解池和海水电解池的重要阳极反应,具有优异活性与稳定性的尺寸稳定阳极（DSA）是目前主要使用的CER阳极材料.然而DSA电极面临着Ru和Ir等贵金属稀缺性和昂贵价格等问题,故发展非贵金属基高性能CER电催... 详细信息

电化学析氯反应（CER）是氯碱工业电解池和海水电解池的重要阳极反应,具有优异活性与稳定性的尺寸稳定阳极（DSA）是目前主要使用的CER阳极材料.然而DSA电极面临着Ru和Ir等贵金属稀缺性和昂贵价格等问题,故发展非贵金属基高性能CER电催化剂具重要意义.但当前针对非贵金属基CER催化剂相关研究仍然较少,主要挑战在于难以兼顾CER高活性和酸性电解质高氧化电位下的稳定性.本文提出对尖晶石结构的Co3O4进行晶面调控来提高其CER活性和稳定性的策略.通过诱导{112}晶面的形成以取代较为稳定{111}晶面,从而暴露出更高密度的八面体位点（Cooct）.在4 mol L-1NaCl（pH 2）作为电解质的条件下,暴露{112}晶面的Co3O4在电流密度为100 mA cm-2时的CER过电位仅为170 m V,远低于{111}晶面Co3O4的330 mV,并优于商业RuO2的320 mV.此外,其具有接近100%的法拉第效率以及优异的稳定性(在10 mA cm-2持续17 h的恒电流测试后,溶解钴浓度仅为8 ppb(1 ppb=1μg L-1)).密度泛函理论（DFT）计算也表明{112}面具有对Cl-更优的吸附能.该研究为如何利用晶面合理设计高效的Co基非贵金属CER催化剂提供新的途径.

关键词：析氯反应海水电解四氧化三钴晶面效应非贵金属

具有可控晶面的CoO催化剂用于高性能电化学析氯反应

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科学通报 2024年

电化学析氯反应（CER）是氯碱工业电解池和海水电解池的重要阳极反应,具有优异活性与稳定性的尺寸稳定阳极（DSA）是目前主要使用的CER阳极材料.然而DSA电极面临着Ru和Ir等贵金属稀缺性和昂贵价格等问题,故发展非贵金属基高性能CER电催化剂具重要意义.但当前针对非贵金属基CER催化剂相关研究仍然较少,主要挑战在于难以兼顾CER高活性和酸性电解质高氧化电位下的稳定性.本文提出对尖晶石结构的Co3O4进行晶面调控来提高其CER活性和稳定性的策略.通过诱导{112}晶面的形成以取代较为稳定{111}晶面,从而暴露出更高密度的八面体位点(Cooct).在4 mol L-1NaCl（pH 2）作为电解质的条件下,暴露{112}晶面的Co3O4在电流密度为100 mA cm-2时的CER过电位仅为170 m V,远低于{111}晶面Co3O4的330 mV,并优于商业RuO2的320 mV.此外,其具有接近100%的法拉第效率以及优异的稳定性(在10 mA cm-2持续17 h的恒电流测试后,溶解钴浓度仅为8 ppb(1 ppb=1μg L-1)).密度泛函理论（DFT）计算也表明{112}面具有对Cl-具有更优的吸附能.该研究为如何利用晶面合理设计高效的Co基非贵金属CER催化剂提供新的途径.

关键词：析氯反应海水电解四氧化三钴晶面效应非贵金属