一周前沿科技盘点㉙｜我国科学家成功构建新型三维碳晶体

近日，我国科学家的最新发现，直接挑战并终结了“恒星初始质量分布规律不变”的经典理论，该研究成果必将产生持续而深远的影响力；科学家研发出一类新型三维人工碳晶体，可能在能量存储、离子筛分、负载催化等领域发挥潜在应用；印太交汇区在全球气候极端事件中起到了关键性的作用，科学家针对近几十年来印太环流系统之间的耦合联动、生态演变等科学问题的研究进展进行了系统的回顾……基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第二十九期。

1《Nature》｜“恒星初始质量分布规律不变”经典理论或告终结

变化的恒星初始质量函数的艺术展示图。宇宙诞生之初（围绕中心明亮部分的内环）质量较大的恒星（浅黄色的圆盘）更多；而在较年轻的星族中（外环），质量较小的恒星（红色的小圆盘）则显著增加。图中右下角展示了完成这一观测的郭守敬望远镜（LAMOST）外观。

恒星初始质量分布规律，天文学上通常称为恒星初始质量函数，它描述了一群恒星在刚刚诞生时，不同质量的恒星所占的比例。它是现代天文学中一个非常基础的物理概念，对许多关键天体物理学问题的研究起到至关重要的作用。

1月19日，《自然》发表了中国科学院国家天文台研究员刘超团队的一项重大研究成果。研究团队发挥我国重大科技基础设施郭守敬望远镜超大光谱数据样本优势，筛选出目前最精细的9万多颗太阳邻域的恒星样本，并获取了每颗恒星的金属元素含量和质量。结合Gaia卫星的观测数据，科研人员首次通过最直观的恒星计数法，对具不同金属元素含量和年龄的恒星进行统计，首次清晰观测到年轻的小质量恒星数量比例明显高于年老的恒星，金属含量越高的恒星家族中小质量恒星数量比例也越多。

这是天文学家首次如此清晰地观测到恒星初始质量分布规律随着恒星金属元素含量和年龄发生了显著变化，直接导致恒星初始质量分布规律在宇宙中普适不变的基本假设不再成立。

2《Nature》｜我国科学家成功构建新型三维碳晶体

论文截图

近年来，富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔等新型碳材料的发现和发展，引起了广泛的关注与研究热潮。以前，对于制备这类新型碳材料，研究人员要么利用高温高压等极限条件，要么采用紫外光、电子束辐照等微观处理技术。但其产率较低、产物不纯，阻碍了人们对该类材料的性质与应用进行更深入探索。

近日，中国科大朱彦武团队创造性地使用氮化锂对富勒烯C60分子晶体进行电荷注入，并在温和温度下进行热处理，最终得到大量的C60聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体。

朱彦武介绍：“这里的长程有序多孔碳晶体，微观上具有多孔特征但完整保留了晶体的宏观周期性，是一类新的人工碳晶体，未来可能在能量存储、离子筛分、负载催化等领域具有潜在应用。电荷注入技术为构建这类碳基晶体材料提供了一种拼‘乐高’式的制备技术，有望成为在原子级精度上调控晶体结构的新手段。”

3《Nature》｜金属和二维半导体接触机制与调控取得进展

Sb (01-12)-MoS2接触的能带杂化、近费米能级波函数和差分电荷密度分布和垂直方向静电势变化曲线

实现金属-半导体稳定的低电阻欧姆接触是实现高性能晶体管的关键。传统硅基器件利用离子注入对接触区域进行高浓度掺杂，通过金属电极材料与接触区半导体材料之间的化学键实现欧姆接触，其典型接触电阻约为100Ω·μm。然而，对于二维半导体而言，由于：1.二维半导体的原子级厚度，难以实现有效的离子注入和掺杂；2.与硅相比，二维半导体表面惰性无悬挂键，与电极材料间存在范德华间隙，致使金属-二维半导体的电子波函数杂化耦合较弱；这些因素极大地限制了器件性能。

针对上述挑战，东南大学物理学院王金兰、马亮团队通过计算模拟，提出了利用半金属Sb(01-12)原子密排面较大的垂直方向原子轨道分布和与二维半导体MoS2强的范德华相互作用，增强范德华间隙中的原子轨道重叠和能带杂化，进而大幅提升接触界面电荷转移和载流子注入效率的新思路和新机制。进一步计算表明，该机制对WS2、MoSe2和WSe2等其它过渡金属硫族化合物二维半导体具有良好的普适性。

团队与南京大学王欣然教授团队合作，在Sb(01-12)-MoS2接触中实现了42Ω·μm的超低接触电阻，刷新了金属-半导体接触电阻的最低纪录，已逼近理论量子极限。该接触在125°C的工作温度下具有良好的稳定性。

4《德国应用化学》｜高级氧化水处理技术取得突破性成果

论文插图

高价铁组分（FeIV=O）是一种兼顾高活性与选择性的活性组分，广泛应用于污染治理，化学合成，肿瘤治疗等领域。近期研究报道FeIV=O可通过单原子催化类芬顿反应高效产生，然而其中的反应机理及FeIV=O对水体难降解有机污染物的实际氧化贡献仍不明确。

武大资源与环境科学学院张晖团队通过一系列电化学实验分析与理论计算，揭示了介稳态Catalyst-PMS*复合体诱导产生FeIV=O的反应机理。其中活性Fe-N4位点的分布与氧化剂PMS的投加量直接影响FeIV=O的产生。

单原子催化剂中催化产生FeIV=O的实际活性位点并不是孤立的Fe-N4位点，而是具有特定位点距离（Fe1-Fe1distance）的相邻位点：即原子间距为4Å的相邻Fe-N4位点。当PMS吸附在这种位点上时会形成独特的双位点吸附结构，从而显著提升Fe-N4位点向PMS的电荷传递，进而促进O-H键和O-O的同时断裂产生FeIV=O。进一步的研究表明，FeIV=O可显著提升类芬顿体系的氧化效能，可实现高效、靶向、稳定地去除水体难降解有机污染物。

5《Earth-Science Reviews》｜印太交汇区最新研究成果

ENSO影响下的印度洋-太平洋海盆间物质、能量输运（下）以及大气环流调整（上）

印太交汇区作为跨圈层、跨海盆物质、能量交换和循环的重要海区，其海洋动力调整是海洋系统洋际、层际耦联研究的重要环节。

中科院南海海洋研究所杜岩研究员及起合作者对国际及国内学术界近几十年来针对印太环流系统之间的耦合联动、物质能量交换、低频调整及其影响印太交汇区热盐平衡和生态演变等科学问题的研究进展进行了系统的回顾。

研究发现，印太暖池控制着沃克环流和哈德莱环流的变化，印度洋、太平洋两个海盆通过“大气桥”直接连接，热带印度洋和热带东太平洋年际海表温度变化存在重要的正相关性，使得印太交汇区在全球气候极端事件中起到了关键性的作用。

印太交汇区通过印尼贯穿流连接热带太平洋、南海与印度洋的环流系统，跨海盆的物质和能量交换对区域乃至全球气候和海洋生态环境有着至关重要的调节作用。同时，印太交汇区生物多样性格局是地球地质历史、构造过程、气候事件、海洋环境与生命过程等多圈层、多界面过程相互作用形成的结果，关乎全球生物、生态过程的演变。