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  近期,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员张蕾课题组博士刘威在二维磁性材料的磁各向异性和临界行为研究方面取得新进展。相关研究结果分别以Field-dependentanisotropicmagneticcouplinginlayeredferromagneticFe3-xGeTe2和Criticalbehaviorofthesingle-crystallinevanderWaalsbondedferromagnetCr2Ge2Te6为题,发表在美国物理学会杂志《物理评论B》上。  近年来,二维范德瓦尔斯磁性材料由于其独特的物理性质以及在自旋电子器件上潜在的应用价值,受到广泛的关注和大量的研究。在这类体系中探索本征二维铁磁性,无论是对理解与揭示低维磁性机制,还是开发下一代纳米级自旋器件,都具有非常重要的意义。在这类材料中,Cr2Ge2Te6,CrI3和Fe3GeTe2等二维材料在磁电以及磁光应用方面具有极为优异的性能,从而受到科研工作者的青睐。  研究人员针对二维铁磁材料Fe3-xGeTe2和Cr2Ge2Te6的磁性相变行为以及磁耦合机制,采用一系列方法展开了系统的研究。Fe3-xGeTe2是一种巡游铁磁材料,层间相互作用很弱而易剥离,通过控制Fe空位的浓度,其居里温度TC可以从140K调控到230K。此外,TC还依赖于层数,通过离子门控制的方法可以调控到接近室温。  除了接近室温的居里温度,强的磁各向异性也是一个重要的研究方向,其在磁存储应用方面具有极大的现实意义。研究人员通过对其易轴和难轴的磁化曲线的测量、各向异性的磁熵变计算、以及临界行为的分析,对Fe3-xGeTe2的磁各向异性性质展开研究。研究表明:当磁场H平行于c轴时,其磁相互作用是短程的相互作用,符合三维海森堡行为;而当H平行于ab面时,其磁耦合却是长程的铁磁有序,其遵从平均场模型。这一研究结果揭示了Fe3-xGeTe2中的磁相互作用是依赖于外磁场的方向,类似的各向异性行为同样发现在CrI3和Cr2Ge2Te6体系中。  此外,对Cr2Ge2Te6的研究表明,Cr2Ge2Te6中的磁相互作用为二维伊辛型的长程磁有序,而正是其弱的磁各向异性能有效抵消热涨落,从而实现长程铁磁序,与重整化群理论预测的结果一致。  文章链接:12 1.2K温度下Fe3-xGeTe2的磁化强度随空间角度的变化

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  冰川物质平衡是表征冰川积累和消融最重要的参数之一,是目前国际冰川学界重点和前沿观测研究领域。中国科学院西北生态环境资源研究院新疆天山冰川国家野外科学观测研究站(简称天山冰川站)长期致力于物质平衡研究,近期取得了系列研究成果并在国际期刊发表。  (1)基于地基三维激光扫描技术的物质平衡观测研究。2018年天山冰川站启动中科院野外站重点科技基础设施建设项目,建立面向我国西北干旱区6条参照冰川的观测网络,引入国际先进的RieglVZ-6000地基三维激光扫描系统,开展冰川物质平衡观测研究。目前在天山乌鲁木齐河源1号冰川的研究已取得进展。研究发现,基于地基三维激光扫描技术的大地测量法冰川表面高程变化值与冰川学法获取的同名点的高程变化值相关。大地测量法冰川物质平衡与冰川学法物质平衡在冰川大部分区域空间差值的绝对值很小,两种方法计算出的物质平衡线高度十分接近(图1)。这一结果表明采用地基三维激光扫描技术开展年度或年内物质平衡观测研究具有巨大潜力,是传统冰川学物质平衡观测的最佳替代。  (2)长序列物质平衡重建。冰川物质平衡观测异常困难,全球外长序列观测资料十分有限,弥足珍贵。20世纪90年代以来,中亚地区仅有数条监测冰川的长序列物质平衡资料由于前苏联解体出现了中断,该区的实测物质平衡资料更为稀少。为此天山冰川站于1998年开启天山中段奎屯河流域哈希勒根51号冰川的物质平衡观测工作,但资料尚不连续。近期的研究基于该冰川7年的物质平衡实测资料,结合冰川表面气象资料和再分析数据,利用冰川物质平衡模型重建了该冰川1999-2015年的年物质平衡和季节物质平衡(图2),并揭示了其变化规律和控制因素,为中亚地区冰川物质平衡观测增添了珍贵的长序列数据。  (3)物质平衡关键参数的观测研究。冰川表面反照率和表碛覆盖是影响冰川物质平衡的两个关键参数。针对乌源1号冰川的反照率遥感反演研究表明,消融初期,冰川表面反照率值很高,平均在0.7以上,空间变化不明显。随着消融的进行,反照率逐渐降低,至消融中后期降至最低,在0.3左右,空间上呈现随海拔升高而增大的趋势,且物质平衡线附近增加最快。冰川反照率的这种时空格局除了受入射辐射(云量和太阳高度角)影响外,冰川表面特征(积雪、裸冰范围及吸光性物质的含量等)是决定其变化的主导因素。围绕天山托木尔峰青冰滩72号冰川的研究,通过对气候变化、冰川响应延迟、冰川地形特征和表碛覆盖影响的综合分析,揭示了随气候持续变暖,表碛范围和厚度增大,对冰川消融抑制作用增强,表碛覆盖型冰川退缩会有所减缓的响应规律。  此外,天山冰川站雪冰化学研究团队还对西北干旱区的大气污染物(挥发性有机物、黑碳、水溶性离子及气态前体物等)变化特征和成因进行了深入研究,并取得高水平成果。  上述研究成果相继在国际地学期刊发表,其中TheCryosphere一篇、JournalofGlaciology三篇、GlobalandPlanetaryChange一篇、ScienceoftheTotalEnvironment两篇。第一作者为徐春海(两篇)、岳晓英、张慧、王璞玉、周茜和汪芳林,通讯作者为研究员李忠勤等。  上述成果获得中科院A类战略性先导科技专项泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设(XDA20020102、XDA20060201)、第二次青藏高原综合考察专项(2019QZKK0201)、国家自然科学基金国际(地区)合作研究项目(41761134093)和冰冻圈科学国家重点实验室基金(SKLCS-ZZ-2019)等资助。    论文链接:1234567基于RieglVZ-6000的大地测量法和冰川学法冰川物质平衡的空间差值(a,d,g,j)及海拔梯度的对比(b,c,e,f,h,i,k,m) 2000-2015年天山奎屯河流域哈希勒根51号冰川物质平衡重建

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  9月7日,采用中国科学院工程热物理研究所预热燃烧技术的35t/h(24MWth)纯燃超低挥发分碳基燃料预热燃烧锅炉,在陕西咸阳完成72小时连续试运行。该锅炉是依托国家重点研发计划“超低挥发分碳基燃料清洁燃烧关键技术”项目的工业试验工程。本次试运行不仅成功实现锅炉满负荷运行,还实现了多种负荷水平稳定运行,初步测试表明锅炉NOx原始排放低于200mg/m3,展现了预热燃烧技术燃烧效率高、NOx排放低、燃烧稳定、负荷调节能力强等诸多优点,赢得了用户的高度赞誉。  该锅炉原为一台用于工业园区供气和取暖的35t/h煤粉工业锅炉,自2013年建成投产以来最高运行负荷仅为28t/h,结焦现象严重,NOx排放高,连续运行困难。2019年,项目研发团队对该锅炉进行改造,采用研究所开发的纯燃超低挥发分碳基燃料预热燃烧器,并对锅炉本体及辅机系统进行了相应改造。改造后,锅炉的设计煤种为常规技术无法燃用的挥发分含量低于10%的热解半焦,同时也可以长期燃用煤粉,这样大大拓宽了煤种适应性。  国家重点研发计划项目“超低挥发分碳基燃料清洁燃烧关键技术”由研究所牵头实施。该项目的研究目标是开发适用于纯燃超低挥发分热解半焦及气化残炭的预热燃烧技术,和适用于电站煤粉锅炉大比例掺烧超低挥发分碳基燃料的高效低NOx燃烧技术,并完成相应的工程试验及示范,推动工业化应用,项目执行期为2017年7月至2020年12月。本次试运行验证了项目研发团队研发的粉体物料流态化自平衡循环技术、高浓度粉体燃料高背压输送技术以及平行射流喷口技术等多项核心关键技术,为超低挥发分碳基燃料预热燃烧技术的产业化应用奠定了坚实的基础。下一步,项目研发团队将系统开展纯燃热解半焦及气化残炭的工程试验研究。

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  为显著减少温室气体的排放,应在废弃油气藏及地下咸水层大规模封存超临界二氧化碳。在一些工业尺度的碳封存项目中,储层中由于封存大量超临界二氧化碳产生的超压会显著影响储层及围岩结构的力学稳定性,进而导致盖层失稳,在盖层中生成二氧化碳的泄漏通道。二氧化碳储层中的应力提升具备诱发地震的潜势,即使监测技术完善,碳封存场地中诱发的地震仍会对碳封存项目的成功实施构成潜在威胁。断层活化诱发的地震可能会连通二氧化碳储层与围岩,甚至连通地表,这种连通作用可能会引发封存的二氧化碳泄漏,并引发一系列的灾害。因此,为确保深部咸水层和枯竭油气田碳封存项目的长期安全性,需要结合碳封存场地的泄漏风险评价和适当的监测技术,对盖层完整性开展综合评估。然而,在实际的碳封存项目中,可获取的场地数据往往很有限,且避开所有深埋于地下的隐伏断层极为困难,需对封存场地断层接触模式开展综合评价。  中国科学院武汉岩土力学研究所基于室内试验和数值模拟,研究了胜利油田G89区块地下1000米处遇到的三类断层接触模式。渗透率低于储层的断层带对厚储层中的渗流影响显著,当断层穿透不同储层时,对层间的水力起到连接作用。该研究重点讨论这种层间水力联系在三类不同断层接触模式中对断层活动的影响,分别对三类不同断层接触模式建立数值模型(图1),研究各模式下断层的力学稳定性和诱发地震风险。  研究表明,断层活动性受层间水力联系影响显著。当断层未接触上部含水层时,由于缺少含水层间水力联系,注入井附近聚集的孔隙水引起孔隙压力和变形在注入井附近增加,断层滑动率相对较小。当断层穿入上部含水层时,目标储层中断层附近积聚的孔隙流体沿断层向上渗流至上部含水层,孔隙压力升高的范围增大,断层活动性增强,且位于储层段内部的断层滑动趋势更为显著。三类不同断层接触模式模型中孔隙压力和位移变化的幅度和时间表明层间水力联系加速储层孔隙水压力的升高,但流体注入过程中,由于层间水力联系的存在,盖层完整性未受影响。该研究为揭示碳封存场地内部断层带地震风险分布提供认知,并为相似工程的地质灾害防治和预测提供思路。  该研究相关成果发表于国际期刊Geofluids,通讯作者为研究员李琦。该研究得到国家自然科学基金项目(No.41872210)和岩土力学与工程国家重点实验室开放基金(No.Z017008)等资助。  论文链接 图1三类断层接触模式的概念模型 图2三类断层接触模式注入10年后孔隙水压力分布云图 图3三类断层接触模式断层面上的滑动距离

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  狼(Canislupus)是家犬的野生祖先,是广泛分布的陆生哺乳动物,占据了欧亚大陆、北美乃至北非等地。前人的研究表明狼具有复杂的系统发育和群体历史,不仅受地理和生态环境影响存在群体结构,而且和家犬、郊狼(Coyote)乃至豺存在明显的、长期的基因交流和群体混合现象。在中国,狼不仅生活在青藏高原、东北、新疆、内蒙古等地,而且在中国的南方也有分布(LuWangetal.2016.ZoologicalResearch)。  为了研究中国南方狼的系统发育地位和群体历史,中国科学院昆明动物研究所研究人员和中国科学院动物研究所国家动物博物馆、昆明动物所昆明动物博物馆联系,取得了浙江、江西、贵州等中国南方的狼皮张样本,以及来自黑龙江和吉林的皮张样本。随后,昆明动物所分子进化与基因组多样性课题组与中科院古脊椎动物与古人类研究所古DNA实验室合作,提取了皮张样本的DNA并进行全基因组测序。群体遗传学分析发现,中国南方的狼是一个单独的群体,和中国北方、青藏高原狼有差异且关系最近。研究人员发现,采自浙江的狼个体基因组中存在一种遗传组分,可能来自于犬科的另一个物种,且分歧时间大于狼和亚洲豺犬(Cuonalpinus)。研究结果亦揭示犬科物种间的基因交流在物种形成过程中扮演了重要的作用,也提示古DNA的研究方法对动物博物馆馆藏样本有显著的研究意义。  该研究成果于9月11日在线发表在Cell旗下子刊iScience上。昆明动物所研究员王国栋、古脊椎所博士张明为文章的共同第一作者,中科院院士、昆明动物所研究员张亚平,古脊椎所研究员付巧妹为文章的共同通讯作者。该研究得到中科院B类战略性先导科技专项、国家自然科学基金重大研究计划、霍华德修斯医学研究所(付巧妹)和中科院青年创新促进会(王国栋)的支持。  文章链接 中国南方狼的系统发育关系和基因交流

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  在亿万年的自然演化中,一些生物体逐渐发展出体色、形态等随环境变化的能力。其中,最典型的例子就是变色龙:它能够根据外部环境或情绪心理的变化来快速改变肤色,以达到伪装或交流的目的。研究表明,变色龙的皮肤具有特殊的多层色素细胞构造,环境或情绪的变化会诱导皮肤肌肉运动,改变皮肤多层色素细胞的分布,进而实现多样化的身体颜色变化。这一有趣的生物体变色现象启发科学家们构建了多种基于高分子薄膜和弹性体的智能仿生软体机器人,这些具有变色功能的伪装机器人在自然环境中表现出类生物体的行为,不易被识别和破坏,因而在海洋探索、生物学研究、环境考察等方面应用前景巨大。相较于高分子薄膜和弹性体,高分子水凝胶具有与生物组织相当的模量及软、湿等特性,可能更加适宜于变色软体机器人的构建。因此,如何通过各向异性高分子水凝胶的组成结构设计,实现驱动与智能荧光色变等功能的协同来构建具有变色功能的水凝胶驱动器,就成为研究人员格外关注的问题。  近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料课题组研究员陈涛和副研究员路伟在智能荧光高分子水凝胶的分子设计及材料构建方面开展了大量的基础研究工作(Adv.Funct.Mater.2019,1905514;ACSMacroLett.2019,8,937;Sci.ChinaMater.2019,62,831;ACSSensors2018,3,2394;Adv.Mater.Technol.2018,1800201;J.Phys.Chem.C2018,122,9499;Macromol.RapidCommun.,2018,39,1800648;Macromol.RapidCommun.2018,39,1800130;ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,23884)。基于以上研究,该团队在2018年通过苝酰亚胺功能化荧光高分子水凝胶和氧化石墨烯杂化聚异丙基丙烯酰胺水凝胶功能模块的超分子宏观组装,初步实现了复杂形变和智能荧光性能的协同(Adv.Funct.Mater.2018,1704568)。然而,尽管这种高分子驱动器同时兼具复杂变形和“开-关”荧光功能,它却只能发出一种荧光颜色(黄色),远远落后于自然界中的变色龙等可显示丰富多彩肤色变化的生物体。  近日,该团队在《德国应用化学》(Angew.Chem.Int.Ed.)上报道了一种兼具3D复杂形变-智能色变功能的多色荧光高分子水凝胶驱动器(图1),题为BioinspiredSynergisticFluorescence-ColorSwitchablePolymericHydrogelActuator(DOI:10.1002/anie.201908437)。在该工作中,研究人员从多色荧光单体分子设计的源头出发,合成了一种含有吡啶羧酸盐配体的单体6APA,其与N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、甲双叉丙烯酰胺经自由基聚合制备的温敏性高分子水凝胶(PNIPAM-K6APA)的荧光强度很弱,但稀土铕(Eu3+)和铽离子(Tb3+)的分别掺杂会诱导吡啶羧酸盐配体的能量转移,进而发出明亮的红色和绿色荧光,进一步地,可以通过不同比例铕和铽离子与吡啶羧酸盐配体的竞争配位作用的调控来获得红色和绿色相叠加的多色荧光。该荧光水凝胶具有丰富的刺激响应性,酸碱、竞争配位阴/阳离子等的刺激都会改变其荧光颜色(图2)。基于这一智能荧光色变原理,研究人员以温敏性PNIPAM-K6APA为主动层、称量纸为被动层构建了一种各向异性荧光高分子水凝胶驱动器。如图3所示,在碱和温度的交互刺激下,一对分别基于红色荧光Eu-PNIPAM-K6APA和绿色荧光Tb-PNIPAM-K6APA驱动器的仿生变色龙表现出协同的肤色变暗和身姿形变,模仿出变色龙在意欲发动攻击时心理情绪变化诱导的肤色变暗现象;类似地,在铽离子和温度的交互刺激下,基于红色荧光Eu-PNIPAM-K6APA驱动器的仿生变色龙表现出与协同的身姿形变和“红转黄绿”肤色改变,初步模仿出变色龙在环境变化诱导下的皮肤颜色变化多样性(图4)。  在该工作中,研究人员通过各向异性多色荧光高分子水凝胶驱动器的组成结构设计,协同利用竞争配位调控的荧光色变和温度控制的形状改变,制备了一种具有类变色龙行为的高分子水凝胶基软体机器人。尽管现在的变色软体机器人在结构设计和功能展示上还比较粗糙,但这一成功实例证明了变形变色等多功能协同的软体机器人的可行性,为未来多功能软体机器人的开发和应用奠定了基础。  以上工作得到国家自然科学基金(21774138,51773215,51873223)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、中科院青年创新促进会(2019297,2017337)、中科院海洋新材料与应用技术重点实验室开放基金(2018K02)等的资助。图1由变色龙启发的具有协同变形变色功能的水凝胶驱动器示意图图2水凝胶的荧光颜色调控及其刺激响应性荧光色变图3分别基于Eu-PNIPAM-K6APA和Tb-PNIPAM-K6APA水凝胶驱动器的一对仿生变色龙在碱和温度交互刺激下的协同变形变色行为 图4基于Eu-PNIPAM-K6APA水凝胶驱动器的仿生变色龙在铽离子和温度交互刺激下的协同变形变色行为

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