【學術科研快訊】北理工近期科研動態(tài)一覽
發(fā)布日期：2018-12-21
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數：
北理工張玉利特別研究員在UT-Dallas 24期刊《INFORMS Journal on Computing》發(fā)表最新研究成果
北理工管理與經濟學院教師張玉利與美國加州大學伯克利分校申作軍教授、清華大學宋士吉教授合作的研究成果“Exact Algorithms for Distributionally β-Robust Machine Scheduling with Uncertain Processing Times”在運籌與管理領域頂級期刊《INFORMS Journal on Computing》發(fā)表。張玉利特別研究員為本文第一作者。該刊為美國運籌學和管理學研究協(xié)會（INFORMS）季刊，是國際商學院研究能力評估參考的24本頂級期刊(UT-Dallas 24期刊)之一。
該研究針對不確定性環(huán)境下的調度問題，提出了一種基于β-魯棒準則的隨機魯棒優(yōu)化模型，并創(chuàng)新性地提出了求解此類非線性離散優(yōu)化模型的高效精確算法——參數搜索（Parametric Search）方法。該方法只需對一維參數空間進行搜索并求解少量的線性優(yōu)化問題即可獲得原問題的最優(yōu)解，避免了傳統(tǒng)方法在多高維離散空間進行分支定界的困難。在期望意義下，該方法具有多項式時間的計算復雜度。計算實驗表明該方法可將現有算法效率提升幾個數量級。
論文鏈接：https://pubsonline.informs.org/doi/abs/10.1287/ijoc.2018.0807
北理工李春教授團隊在合成生物學頂級期刊發(fā)表“構建α-香樹脂醇高產工程化酵母”研究成果
北京理工大學化學與化工學院“生物轉化與合成生物系統(tǒng)”研究團隊李春教授課題組在合成生物頂級期刊《ACS synthetic biology》【2018, 7(10), 2391-2402】上發(fā)表了“構建α-香樹脂醇高產工程化酵母”的研究成果。文章的第一作者是李春教授指導的天津大學化工學院博士生余源，北理工生命學院霍毅欣教授是本文的共通訊作者。
在本研究中，研究人員通過將α-香樹脂醇合酶MdOSC1引入釀酒酵母中，同時增加（3S）-2,3-氧化角鯊烯的供應以實現高效生產α-香樹脂醇，搖瓶產量達到11.97±0.61mg / L，是之前報道的最高產量的5.8倍。
三萜的生物合成
萜類化合物是植物次級代謝產物中最大的一個家族，廣泛分布于自然界中，α-香樹脂醇是植物當中重要的五環(huán)三萜，具有重要的生理和藥理活性。α-香樹脂醇是由(3S)-2,3-氧化鯊烯在氧化鯊烯環(huán)化酶蛋白家族α-香樹脂醇合酶(α-AS)的催化下形成的。由于α-香樹脂醇在植物中的含量極低，分離純化步驟繁雜，目前尚未商業(yè)化開發(fā)生產。利用整合了高效α-AS的工程化釀酒酵母，可用作α-香樹脂醇的可持續(xù)生產方案。
釀酒酵母中α-香樹脂醇的生產途徑
北理工胡峻教授在《Transactions of the AMS》上發(fā)表Wey模的基座的研究成果
北京理工大學數學與統(tǒng)計學院胡峻教授在國際頂級學術期刊《Transactions of the American Mathematical Society》上發(fā)表了題為“Fayers’conjecture and the socle of cyclotomic Weyl modules”的研究論文。該論文研究了分圓Schur代數的分圓Weyl模的基座，證明了這些基座中的單模全部都是由Kleshchev多重剖分來參數化，并在此基礎上證明了英國代數學家Fayers提出的關于Fock空間典范基的一個猜想。
分圓Schur代數涵蓋了A型的Schur代數以及q-Schur代數作為它的特殊情形，它們在與代數群、量子群、李型有限群及Hecke代數相關的現代李理論中占據重要的地位。例如無限一般線性群以及A型量子群的多項式表示都可歸結為Schur代數與q-Schur代數的表示，而有限一般線性群的冪幺表示也可歸結到q-Schur代數的表示。分圓Weyl模是分圓Schur代數的一類最基本的表示，后者的每個不可約模都可以作為某個分圓Weyl模的單頭，而研究不可約模是分圓Schur代數的表示理論中的核心問題。
分圓Weyl模的基座是指它們的最大半單子模。胡峻教授的上述論文在一個一般的“Schur對”的框架下證明了任意Weyl模的基座中的每個單模總是所研究代數的某個不可分解的投射且內射模的（唯一）單頭。胡峻教授把這個理論應用到解決Fayers提出的關于Fock空間的典范基的一個猜想。
這一原創(chuàng)性成果進一步增進了人們對于Weyl模中合成因子重數這一核心問題的理解，該項工作中所使用的Z分次表示理論方法為研究Weyl模中合成因子重數開辟了新的途徑，其中適用于一般“Schur對”的框架的Weyl模的基座理論有著廣闊的應用前景，例如它能夠應用到一些不同的場合包括拋物BGG范疇O、Harish-Chandra雙模理論以及有理Cherednik代數的表示等。
論文鏈接：http://www.ams.org/journals/tran/0000-000-00/S0002-9947-2018-07551-1/home.html
北理工朱蓉禪副教授在《The Annals of Probability》上發(fā)表?_3^4動力模型格點逼近的研究成果
日前，北京理工大學數學與統(tǒng)計學院朱蓉禪副教授在國際頂級學術期刊《The Annals of Probability》上發(fā)表了題為“Lattice approximation to the dynamical 
model”的研究論文。該研究構造了以格點上場的逼近測度為不變分布的有限維系統(tǒng)收斂到動力模型。這對應于量子場論中重要的場格點逼近，由此可以得到動力模型以場為不變測度。
動力模型是對量子場論中基本模型場提出的隨機量子化模型，即構造一個隨機偏微分方程即動力模型使得當時間趨于無窮時方程的解依分布收斂到場。由此運用隨機分析的方法研究場。動力模型是一類帶有奇異噪聲的隨機偏微分方程，如何在d="3時給出方程解的適定性是公開了很多年的問題。
場的格點逼近是研究和構造場的一種重要方法，它保持了測度的鐵磁本質和Osterwalder–Schrader公理。朱蓉禪副教授在上訴論文中運用擬控制分布首先研究了以格點上場的逼近測度為不變分布的有限維系統(tǒng)。動力模型可以看成是三維環(huán)面上的模型，因此要證明收斂性需要將格點系統(tǒng)模型延拓到環(huán)面上進行比較。這時延拓時會產生有限維投影算子，這個算子會導致擬控制分布中非常本質的交換子估計不成立，分析方法無法運用。這時朱蓉禪副教授及合作者在論文中將投影算子中余項部分運用概率計算的方法證明了收斂。
這一結果進一步增進了人們對于場動力系統(tǒng)及其格點逼近之間的關系。既可以用來聯(lián)系場和動力模型，也可以用來構造與場對應的狄氏型，由此回答了以場為參考測度的二次型可閉的公開問題。
論文鏈接：https://projecteuclid.org/euclid.aop/1517821226
北理工方岱寧、陳浩森、宋維力團隊在材料類頂級期刊Adv. Funct. Mater.上發(fā)表文章
2018 年11月17日，著名材料學期刊 《先進功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）在線報道了北京理工大學先進結構技術研究院方岱寧院士，陳浩森副教授，和宋維力副教授合作領導研究的一種全新的基于電化學精確控制的，硅基電化學-力學-光學耦合仿生變色器件。該項研究基于全新的電化學-力學耦合變色調控機理，實現了可見光寬頻段精確調控，并具有獨特的彩色/銀色切換功能。
通過模擬章魚皮膚變色機理設計電化學精確調控變色硅膜
大自然中有多種能夠自適應變色偽裝的生物，以章魚為例，當外界環(huán)境發(fā)生改變時，章魚能夠通過主動調控皮膚細胞中蛋白質的體積來改變光在不同界面的相位差，從而實現皮膚變色。方岱寧課題組通過設計具有穩(wěn)定可逆膨脹的硅膜電極，模仿章魚皮膚變色機理，巧妙地利用嵌鋰電位（<1 V），精確控制鋰離子在硅薄膜中的脫嵌行為，實現硅膜的高精度體積變化調控，改變硅膜結構對光線反射產生干涉消光條件，獲得一系列絢麗色彩。值得一提的是，調控硅薄膜中的嵌鋰程度，可以實現關閉或開啟光線干擾作用，器件可以實現彩色至銀色的切換功能。
該團隊通過實驗和理論模擬進一步研究了該仿生變色器件中的電化學力學耦合變色機理。采用橢偏儀測試了其不同鋰化程度下的納米硅薄膜的光學常數（折射率和消光系數），以及相對應的納米硅薄膜的厚度，驗證了鋰化納米硅薄膜的化學演化過程。通過建立光學理論模型，預測出不同嵌鋰程度下的器件反射率，其預測結果和實驗測試吻合，進一步驗證了該仿生變色器件的調控機理。
光學理論模型建立
該仿生結構變色器件具有很強的設計應用前景，改變硅薄膜的初始厚度和導電集流體顏色，可以任意定制所需要的顏色調控范圍。通過光刻技術，可以定制各種顯色圖案。并且，該變色系統(tǒng)和硅基鋰離子電池具有良好的兼容性，在硅基鋰離子電池的可視化實時監(jiān)控中也有巨大的應用前景。
變色器件在光學顯示中的應用
該項研究成果首次報道了納米硅薄膜在嵌鋰過程中的變色現象，揭示了其中的電化學力學耦合變色機理，設計制備了基于硅負極的仿生變色器件，為今后的仿生結構變色材料的研究開辟了一個全新的方向。該課題組研究人員認為，進一步優(yōu)化變色薄膜的結構，可以實現更高穩(wěn)定性的仿生結構變色器件。同時獨特的電化學力學調控變色機理具有極強的普適性，可以適用于具有脫嵌鋰體積收縮膨脹效應的其他材料。
北理工關于電力市場化改革研究方面的成果發(fā)表于《Energy Economics》期刊
能源與環(huán)境政策研究中心的研究成果《經濟調度機制在煤電部門的節(jié)能潛力評估》(Economic dispatch savings in the coal-fired power sector: An empirical study of China)，發(fā)表于能源經濟學的頂級期刊《Energy Economics》上。該項研究成果是由北京理工大學能源與環(huán)境政策研究中心（CEEP-BIT）與劍橋大學能源政策研究組（Energy Policy Research Group，EPRG）共同合作完成，魏一鳴教授，陳浩博士、Chi Kong Chyong博士和康佳寧博士生是該文的主要作者，魏一鳴教授是該文的通訊作者。
電力部門是中國最大的煤炭消費部門和最大的二氧化碳排放來源，在應對氣候變化過程中可以發(fā)揮關鍵作用。2015年3月，國務院發(fā)布了9號文，拉開了新一輪的電力市場化改革序幕。本輪電改的一項重要任務是有序放開發(fā)用電計劃，以提高電力系統(tǒng)的運營效率和實現節(jié)能減排，從而提高電力系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性和電力消費的可支付性。世界上絕大部分國家的電力系統(tǒng)運行都是基于“經濟調度”機制，而由于各種歷史原因，中國當前的電力系統(tǒng)運行仍然沿襲著具有計劃經濟色彩的“行政調度”機制，產生了大量的資源浪費和環(huán)境污染。因此，為了給中國的電力市場化改革提供決策支撐和科學依據，魏一鳴教授領導的電力市場化改革研究團隊聯(lián)合劍橋大學的EPRG團隊開展了此項研究。
六大區(qū)域電網煤電機組的燃料消耗率
本研究首先測算了中國六大區(qū)域電網內所有煤電機組的燃料消耗率，發(fā)現2014年中國煤電機組的燃料消耗率位于273.91 gce/kWh和348.38 gce/kWh之間。同時，無論是在省級電網層面、區(qū)域電網層面和全國層面，同一電力平衡區(qū)域內煤電機組的燃料消耗率均存在著不同程度的差異，說明了電力系統(tǒng)的調度機制改革存在著一定的節(jié)能空間。
煤電機組發(fā)電效率和年度運行小時數
基于測算出的煤電機組燃料消耗率，本研究分析了2014年中國裝機容量超過1GW的所有煤電廠的機組發(fā)電效率與其年度運行小時數之間的相關性，發(fā)現有接近一半的省份的煤電機組處于低效運行的狀態(tài)，即機組的發(fā)電效率越高，年度運行時間反而越少。由此，佐證了中國電力系統(tǒng)運行的低效率和實施經濟調度機制的必要性。
經濟調度機制實施后各省的煤炭節(jié)省比例（%）
以2014年中國煤電部門的實際數據為例，基于建立的煤電部門經濟調度節(jié)能潛力評估模型，測算了如果中國在2014年實施經濟調度機制后帶來的節(jié)能潛力。發(fā)現經濟調度的實施可以在全國層面上帶來大約0.72億噸標準煤的節(jié)省量，占當年發(fā)電總煤耗5.67%。同時，研究歸納總結出了煤電部門實施經濟調度機制面臨的挑戰(zhàn)，包括不同所有權性質煤電廠的利益再分配沖突、跨區(qū)電力交易和產能過剩背景下的企業(yè)運營等。最后，基于國際經驗提出了五點利于在中國煤電部門實施經濟調度機制的政策建議。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.eneco.2018.06.017
北理工張軍勇特別研究員在《Mathematische Zeitschrift》上發(fā)表含反平方位勢薛定諤算子的研究成果
日前，北京理工大學數學與統(tǒng)計學院張軍勇特別研究員與及其合作者在國際數學頂級學術期刊《Mathematische Zeitschrift》上發(fā)表了題為“Sobolev spaces adapted to the Schr?dinger operator with inverse-square potential”的研究論文。該論文通過建立含反平方位勢薛定諤算子所對應的Littlewood-Paley 理論、乘子定理、Hardy 不等式等調和分析工具，證明了含反平方位勢薛定諤算子在L^p框架下的Sobolev空間與經典的Sobolev空間的等價性。
含反平方位勢薛定諤算子的研究興趣主要來源于數學和物理兩方面。在物理上，該算子同含庫倫位勢的狄拉克方程、以及Schwarzschild和Reissner-Nordstr?m黑洞中度量的擾動的研究緊密聯(lián)系。在數學方面，反平方位勢與拉普拉斯算子具有相同的伸縮不變性，含反平方位勢薛定諤算子在很多理論研究中引起眾多學者的研究。 算子的譜理論和調和分析工具是研究該算子所對應描述物理現象方程的核心工具，因此該研究成果為后續(xù)研究波的奇性傳播奠定了基礎，例如黑洞中波的傳播。
張軍勇特別研究員及其合作者的上述論文在充分考慮反平方位勢的影響下，證明了通過含反平方位勢薛定諤算子所定義的Sobolev空間與拉普拉斯算子所定義的Sobolev空間范數模等價，但在L^p框架下p的范圍受到了反平方位勢的嚴重影響。除此之外，張軍勇特別研究員在關于反平方位勢薛定諤算子和色散方程方面開展了一系列研究。在本論文完成之前，與合作者在 [J. Funct. Anal. 267(2014), 2907-2932]研究了歐氏空間中含反平方位勢能量次臨界非線性薛定諤方程解的整體適定性理論和散射理論，這個結果是滿足伸縮變換不變，但不滿足平移不變的非線性色散方程模型的首個散射理論。 受這個結果啟發(fā)，進一步獲得本論文的研究結果。
這一原創(chuàng)性成果進一步增進了人們對于奇性位勢在薛定諤算子和方程中解長時間行為這一核心問題的理解，該項工作中研究Sobolev范數等價性的方法適用于一般滿足熱核估計算子，該結果同時也是研究該類非線性色散方程的重要工具。
論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00209-017-1934-8
北理工楊帆教授、劉鋮鋮研究員和張力達副教授在《物理評論快報》期刊上發(fā)表關于魔角石墨烯超導機理的最新研究成果
2018年11月21日，北京理工大學物理學院由楊帆教授牽頭，劉鋮鋮研究員、張力達副教授合作在物理學最頂級的權威期刊《Physical Review Letters》上發(fā)表了題為“Chiral Spin Density Wave and d+id Superconductivity in the Magic-Angle-Twisted Bilayer Graphene”的研究論文。這篇論文對于今年新發(fā)現的魔角雙層石墨烯中的非常規(guī)高溫超導現象提出一種新的理論機制，獲得國際學術界的廣泛認同和跟進，成為目前該研究領域的重要理論之一（在Google Scholar上已被引用21次）。
今年三月，美國麻省理工學院博士生曹源與其導師Jarillo-Herrero等人在Nature發(fā)表背靠背長文，以報道他們在其新近合成的魔角雙層石墨烯中所發(fā)現的非常規(guī)高溫超導現象，在整個凝聚態(tài)物理領域引起了廣泛的關注。目前，該體系的超導機理尚不明確。北理工楊帆教授等通過細致分析實驗現象，首次提出“交換密度波漲落”的超導機理?；诖擞^點，他們首次采用微擾論對材料的宏觀性質作了系統(tǒng)的微觀理論計算，得到的結果和實驗觀測的多個方面定性符合。該觀點受到魔角石墨烯研究領域的廣泛認同和跟進，成為該研究領域目前最具影響力的觀點之一。同時，論文首次將平帶中的Van-Hove 奇異性與費米面嵌套（FS-nesting）和曹源等人在實驗中看到的現象聯(lián)系起來。這一開創(chuàng)性的觀點在該領域得到了之后大多數研究組的認同和采納。
材料的低能等效晶體結構、能帶結構與態(tài)密度曲線
材料包括磁性和超導的相圖，以及超導能隙函數
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.217001
北理工前沿交叉院王博教授在Angew. Chem. Int. Ed.期刊發(fā)表重要研究成果
近日，在北京理工大學王博教授、陳世稆教授和馬小杰助理教授團隊（共同通訊作者）帶領下，提出了一種含鐵金屬有機框架MIL-100（Fe），用于去除臭氧。相關成果以題為“An Iron-Containing Metal–Organic Framework as a Highly Efficient Catalyst for Ozone Decomposition”發(fā)表在國際頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。
MIL-100（Fe）在室溫下相對濕度為45％，空間速度為1.9×105 h^-1時，在100小時內具有100％的持久臭氧轉化效率，遠遠超出大多數的性能，顯示出優(yōu)異且穩(wěn)定的催化效率。該MOF優(yōu)于許多吸附劑和催化劑，如活性炭和α-MnO2（12小時后分別降至臭氧分解的18％和60％）。更重要的是，團隊發(fā)現水在MOF催化臭氧分解中起協(xié)同作用，即使在極端潮濕的條件下（例如> 90％RH）也能實現完全去除臭氧。
MIL-100（Fe）作為臭氧分解的催化劑
為了進一步的實際應用，團隊還用熱壓（HoP）法對MIL-100（Fe）進行了加工，制造了一種基于MOF的催化過濾器；作為口罩上的過濾器，它顯示了對低濃度臭氧幾乎完全的保護。本研究證明了MOF在臭氧污染控制方面的巨大潛力，也為臭氧分解催化劑的設計提供了新的見解。
MIL-100（Fe）物理性能表征及對臭氧轉化率（a）MIL-100（Fe）的臭氧轉化率。b）模擬的、合成的和暴露于臭氧的MIL-100（Fe）的粉末XRD圖案。c）在暴露于臭氧之前和之后，MIL-100（Fe）的N2吸附等溫線。插圖：MIL-100（Fe）的孔徑分布。d）分別對MIL-100（Fe）、α-MnO2、活性炭、α-Fe2O3和β-MnO2進行臭氧轉化。條件：用0.27g石英砂稀釋的0.03g催化劑，C(O?)="45ppm，流速=1000mL·min^-1，RH=45％，室溫。）
MIL-100（Fe）不同高濕度環(huán)境下對臭氧的轉化率（a）分別在<5％RH、20％RH、30％RH、40％RH和> 90％RH下MIL-100（Fe）的臭氧轉化率。b）在交替相對濕度下MIL-100（Fe）上的臭氧轉化率。c）優(yōu)化了在MIL‐100(Fe)催化臭氧分解過程中沿路徑穩(wěn)定點的結構和相應的勢能曲線。d）藍色和紅線分別表示六重態(tài)和四重態(tài)MIL-100(Fe)氫氧化物復合物的能級。實驗條件：用0.27g石英砂稀釋0.03g催化劑，C(O?)= 45ppm，流速="1000mL·min^-1，RH="45％，室溫。）
地面臭氧是世界上主要的空氣污染物之一，由于其高反應性和強氧化能力，直接導致光化學煙霧。長期暴露于臭氧會導致嚴重的肺損傷，并增加因呼吸道疾病而早死的風險。臭氧去除的主要方法有活性炭吸附、化學吸附和催化分解。吸附劑再生和廢液處理的不可避免的問題意味著多相催化是目前最有效的方法。迄今為止，通過使用貴金屬和過渡金屬氧化物作為催化劑分解消除臭氧。在這些報道的催化劑中，MnO?具有較好的分解活性和較低的成本。然而，由于吸附在表面的氧物質的積累，其活性急劇下降。更重要的是，由于水在反應性位點上的競爭性吸附，MnO?在水蒸氣存在的情況下顯示出降低的活性。盡管為了在高濕度環(huán)境下獲得良好的活性，貴金屬催化劑一直是人們關注的焦點，但由于其高成本和稀缺性，貴金屬的大規(guī)模應用受到了限制。因此，開發(fā)具有優(yōu)異活性和在潮濕環(huán)境下性能穩(wěn)定的非貴金屬催化劑是非常有必要的。
MOFilter的制作及其應用測試（a,b）MOFilter的照片和包含MOFilter的口罩。c）MOFilter的SEM圖像。d）（c）中方框的放大圖像。e）模擬MIL-100（Fe），無紡布和MOFilter的XRD圖案。f）MOFilter上的臭氧去除，入口臭氧濃度為200ppb，室溫下RH為45％。）
團隊探索使用了MOF進行催化臭氧分解的可能性和詳細機理。研究了在潮濕環(huán)境中的催化活性，發(fā)現使用MIL-100（Fe）的臭氧去除效率可以達到100％并且在45％RH的高流速下持續(xù)超過100小時。通過與多孔吸附劑（活性炭）和過渡金屬氧化物催化劑（α-MnO2）的比較，進一步驗證了MIL-100（Fe）的優(yōu)異活性），用臭氧快速停用，在12小時內分別降至18％和60％。研究發(fā)現，當使用MOF作為活性催化劑時，水的存在有利于消除臭氧，并且在相對濕度為40％至大于90％的范圍內實現臭氧的完全分解。此外，MOFilter已經被制作并用作口罩中的過濾層，以防止低水平的臭氧。這些研究結果強調了MOF對污染控制的重要性，并可能為開發(fā)臭氧分解的其他催化劑開辟新的可能性。
論文鏈接：An Iron-Containing Metal–Organic Framework as a Highly Efficient Catalyst for Ozone Decomposition（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201810268）
北理工王涌天教授團隊在光學類頂級期刊Light: Science & Applications發(fā)表論文
近日，北理工光電學院王涌天教授團隊黃玲玲教授等人和德國帕德博恩大學Thomas Zentgraf教授課題組合作，提出了一種基于雙折射介質超穎表面的多通道矢量全息的顯示與加密方法。該項研究成果發(fā)表在光學領域著名期刊Light: Science & Applications (volume 7, Article numer: 95(2018))上，題目為“Multichannel vectorial holographic display and encryption”。
超穎表面通常是由單層亞波長尺寸的金屬或介質納米天線陣列構成。由于它具有任意調制入射電磁波的相位、振幅和偏振的功能而引起了研究人員廣泛的關注。由于超穎表面提供了光場調控的新方法和靈活性，近些年來，研究人員將超穎表面應用于光束整形、非線性光學、渦旋光束的產生、隱身斗篷以及全息等領域。
伴隨著微納加工工藝的進步，超穎表面在全息領域展現出了獨特的應用前景。相比于基于空間光調制器的傳統(tǒng)全息方法，基于超穎表面產生的全息再現像的分辨率和再現質量得到了極大地提高，可以克服傳統(tǒng)全息所面臨的諸如帶寬窄、視場角小、存在多級衍射級次串擾、孿生像等挑戰(zhàn)。同時，基于超穎表面的全息方法能夠克服自然界材料（如空間光調制器、光刻膠）對偏振不敏感，僅能實現標量全息的限制。
近些年來，研究人員提出了許多基于超穎表面的全息偏振復用的方法。然而，在這些方法中僅利用了正交偏振態(tài)實現雙通道，通過改變入射光束的偏振態(tài)，只能實現兩個獨立的再現像之間的轉換，限制了超穎表面全息圖信息容量的進一步提高。針對這一問題，王涌天教授團隊和德國Zentgraf教授合作，將多幅矢量全息圖編碼到同一超穎表面。通過對入射光束和出射光束偏振態(tài)的選擇，利用一種偏振依賴的相位偏移與偏振旋轉矩陣，實現十二個不同偏振通道的七種不同偏振圖像組合和復用，能夠極大地提高全息圖的信息容量，并提供了三重的信息加密維度，展示了一種實現高安全性的多通道矢量全息的新方法。這種完全的偏振控制方法可以在動態(tài)全息顯示、可切換光學器件、數據存儲和光學加密/防偽相關的前沿應用中發(fā)揮重要作用。同時，此方法也可以適用于渦旋光束的產生或其他類型的偏振/相位調制，以增強信息容量。
論文鏈接：Ruizhe Zhao, Basudeb Sain, Qunshuo Wei, Chengchun Tang, Xiaowei Li, Thomas Weiss, Lingling Huang, Yongtian Wang, Thomas Zentgraf. Multichannel vectorial holographic display and encryption, Light: Science & Applications (2018). DOI: 10.1038/s41377-018-0091-0
北理工黃佳琦課題組在化學類頂級期刊Angew Chem Int Ed上發(fā)表重要研究成果
近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在鋰硫（Li–S）電池動力學調節(jié)方面研究取得新進展，相關研究成果以“Activating Inert Metallic Compounds for High-Rate Lithium–Sulfur Batteries Through In-Situ Etching of Extrinsic Metal”為題在線發(fā)表于化學類頂級國際期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國應用化學》，影響因子12.10）。該研究利用原位刻蝕的Ni?FeN促進多硫化物的表面反應，并采用先進的表征技術揭示了原位催化轉化機理。該工作開拓了多金屬合金/化合物作為高倍率Li–S電池動力學促進劑的新思路，也提出了催化表面反應和缺陷化學作用的新見解。本文的第一作者為北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院碩士研究生趙夢，共同第一作者為清華大學彭翃杰博士，通訊作者為黃佳琦特別研究員。
因為具有較高的理論比能量，Li–S電池作為鋰離子電池最有希望的替代品受到極大的關注。其高能量密度依賴于可逆的表面電化學反應，在硫正極中引入電催化活性成分可以有效加速表面反應動力學，從而提高硫的利用率并減輕多硫化物的穿梭效應。然而，在電池工作條件下催化劑的真實活性相此前幾乎沒有被驗證過。深入挖掘表面反應機理，探明催化劑活性的來源對于指導催化劑設計具有關鍵作用。
多硫化物刻蝕誘導的活化機制
類似于金屬催化劑設計的合金化策略，該團隊在單金屬化合物中引入外在金屬，活化了原來的惰性相化合物，從而促進多硫化物的表面反應動力學。以六方氮化鎳（Ni?N）作為概念驗證，其對多硫化物的催化活性較差。在引入鐵元素后，Ni?N轉變?yōu)楦呋钚缘牧⒎芥囪F氮化物（Ni?FeN）。在Ni?FeN中，處于立方結構頂角處的較高正電性的鐵（與鎳相比）傾向于通過多硫化物的刻蝕過程浸出，從而在鎳位點的周圍留下大量空位缺陷，極大地提高了Ni?N的催化活性。
（a,b）循環(huán)前和（c,d）循環(huán)后Ni?FeN-G的HAADF-STEM圖像和相應的元素分布
該團隊利用高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡和相應的元素映射來揭示上述機制。如上圖所示，循環(huán)前的Ni?FeN顆粒中Ni和Fe元素的分布較為均勻。而循環(huán)后的Ni?FeN顆粒顯示出異常的鐵元素的表面富集，證明在循環(huán)期間由于多硫化物的刻蝕作用發(fā)生了相遷移，從而留下大量Fe元素的空位并提高催化活性。
Ni?FeN催化作用下Li–S電池的電化學性能
鐵元素通過多硫化物的原位刻蝕作用而浸出，產生高活性的富空位相，從而促進了多硫化物的動力學轉化過程。這種富空位的Ni?FeN催化的Li–S電池表現出優(yōu)異的倍率性能和高硫負載下的循環(huán)穩(wěn)定性，并且可以極大降低電解液用量。這項工作不僅闡述了惰性單金屬化合物的外在金屬活化機制，也證明了原位相演化和空位的形成在調節(jié)催化反應中的重要作用。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201812062
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