一周前沿科技盘点丨低成本钢材实现超强、强韧、高塑性“三合一”

长期以来，钢材强度提升往往牺牲塑性和韧性。中国科学院研究团队发现裂纹前端吸收位错机制，成功打破这一“此消彼长”的困局，为高性能钢铁材料开辟新路径。

高维量子通信潜力巨大但实现困难。我国科研团队提出基于随机存取码的新框架，无需复杂测量即可高效传信，为未来量子网络铺平道路。

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161期。

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《PNAS》丨低成本钢材实现超强、强韧、高塑性“三合一”

高碳淬火-分配-回火（Q-P-T）超高强钢微观结构图

中国科学院上海光学精密机械研究所杨上陆团队取得重要突破，成功实现超高强钢在强度、塑性和韧性上的协同提升，打破了材料性能长期存在的“强则脆”瓶颈。

传统上，材料强度越高，其塑性和韧性往往越差，这源于高Peierls-Nabarro应力和位错运动受限导致的应力集中。现有改善方法多依赖昂贵合金元素或复杂的多步加工工艺，成本高且工艺繁琐。

该团队基于此前发现的“位错越过马氏体/奥氏体界面”（DAMAI）现象，设计并制备了一种低成本的高碳淬火-分配-回火（Q-P-T）钢。其主要组织为贫碳回火马氏体（α）和富碳稳定残留奥氏体（γ）。在变形过程中，位错从α相越过界面进入γ相，使α相“软化”、塑性提升，同时γ相因位错积累而“硬化”，从而实现高强度与高塑性的统一，强塑积达50 GPa·%，断裂韧性高达130 MPa·m¹/²。

更关键的是，团队通过原位透射电镜观察到一种颠覆传统认知的现象：在裂纹扩展过程中，裂纹前端的高韧性奥氏体能主动“吸收”来自马氏体的位错，缓解应力集中，有效抑制裂纹在脆性马氏体中的快速扩展，显著提升材料韧性。

该成果不仅为高强韧马氏体钢的设计提供了全新思路，也对其他具备应变诱发相变的高性能合金研发具有重要指导意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2511830122

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《Physical Review Letters》丨量子通信新突破：信息随机取用，成功率接近100%

基于随机存取码的通信框架

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队柳必恒研究组等，提出一种基于“随机存取码”的新型随机通信框架，并在高维量子光学系统中实验实现，成功突破高维量子通信的技术瓶颈。

高维量子系统虽能大幅提升通信容量与安全性，但其应用长期受限于复杂的高维纠缠测量和量子门操作，尤其在光子平台上难以实现，制约了量子密钥分发、随机数生成等发展。为此，研究团队提出新方案：发送方在共享n维纠缠态基础上，仅通过简单的高维移位和相位操作（X、Z门）对单光子编码两位信息；接收方无需执行困难的纠缠测量，只需根据需求对两个粒子分别进行Z⊗Z或X⊗X的单粒子测量，即可确定性地解码其中任意一位信息，理论成功率可达100%。

该方案同时具备高噪声鲁棒性，可用于高维纠缠的维度认证。实验中，团队采用“路径+偏振”自由度混合编码构建八维子空间，提升了操作效率与可扩展性。基于共享的八维纠缠态，实验实现了随机信息解码，测得成功率高达0.9729±0.0001，超过七维纠缠的理论上限，证实了八维以上纠缠的存在。

该成果摆脱了对复杂纠缠测量的依赖，显著提升了高维量子通信的可行性与实用性。其混合编码方案兼容光纤网络，为高维量子通信的远距离分发和未来量子互联网建设提供了关键技术支撑。

原文链接：

https://doi.org/10.1103/rq78-1qbh

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《Nature》丨头发丝般的“智能电极”可在体内自由移动，实时监测神经信号

NeuroWorm的设计、制造策略和演示

中国科学院深圳先进技术研究院等单位成功研发出一种名为NeuroWorm（神经蠕虫）的新型神经电极，首次提出“动态电极”概念，突破了传统植入式电极“固定位置、难以响应”的局限，为脑机接口技术带来革命性进展。

传统脑机接口电极植入后位置固定，易因免疫反应导致信号衰减，且采集范围有限。NeuroWorm电极直径仅196微米，如头发丝般纤细，兼具柔软性与可拉伸性，并沿长度方向集成60个独立记录通道。其最大突破在于“可动性”：研究团队在电极头部嵌入微型磁控单元，结合外部高精度磁场系统与实时影像追踪，实现电极在体内的自由移动与方向调控。

实验中，NeuroWorm在兔子颅内实现“游走式”监测，可主动更换目标区域，灵活采集不同位置的神经信号。在大鼠腿部肌肉中，该电极稳定工作超过43周，长期记录肌电信号。更令人瞩目的是其优异生物相容性：植入13个月后，周围纤维包裹层平均厚度不足23微米，细胞凋亡率与正常组织无异，显著降低免疫排斥风险。

NeuroWorm将脑机接口从“静态连接”推进到“动态交互”新阶段，有望广泛应用于外骨骼控制、康复辅助及人机协同系统。该研究为发展可主动响应、与生物组织协同运动的“活性”电极开辟了新路径，推动脑机接口向更智能、更实用方向发展。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09344-w

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《Geophysical Research Letters》丨太阳风“偷走”火星氢！新研究揭示大气流失关键路径

火星周围不同成分离子分布磁流体模拟结果

中国科学院国家空间科学中心研究团队通过磁流体力学模拟，揭示了火星氢离子逃逸的主要机制，为理解火星大气演化和宜居性变迁提供了关键科学依据。

长期以来，火星氢离子如何逃逸至太空尚不明确，尤其是电离层出流与外逸层新生离子的贡献比例存在争议。该研究发现，火星氢离子损失的主要来源并非传统认为的电离层离子经磁尾流出，而是来自外逸层——即火星最外层大气中的中性氢原子。这些氢原子与高速太阳风粒子发生电荷交换，被“电离”成氢离子后，随即被太阳风的电场加速，获得足够能量摆脱火星引力，直接逃逸到太空，这一过程称为“拾取离子加速”。

研究指出，火星的“离子成分边界”是调控这一逃逸过程的关键区域。由于氢离子质量小、回旋半径短，其运动受太阳风电场控制，逃逸轨迹沿太阳风方向延伸至尾部，而较重的氧离子则呈现不同行为。模拟显示，氢离子的全球逃逸率比中性氢的热逃逸低1–2个数量级，表明离子逃逸并非氢损失的主导形式，但其受太阳风强度和外逸层密度（如沙尘暴或季节变化影响）显著调节。

该成果不仅解释了氢离子逃逸的物理机制，还凸显了“拾取离子”通道在火星长期大气演化中的重要性，为我国“天问一号”等火星探测任务的数据解读提供了理论支撑，深化了对火星从湿润走向干冷的科学认知。

原文链接：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL117053

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《Neuron》丨不用节食也能减肥？激活它可抵抗肥胖

弓状核Crabp1神经元调控能量代谢的神经机制

中国科学院遗传与发育生物学研究所吴青峰研究组发现一类新型神经元，为破解肥胖难题提供了全新思路。该研究揭示了大脑中存在可主动调控能量消耗的神经机制，有望实现“不靠节食也能减肥”的治疗策略。

目前控制体重主要依赖减少饮食摄入，但易引发食欲反弹，长期效果不佳。吴青峰团队利用单细胞测序技术，在下丘脑弓状核中鉴定出一类表达Crabp1基因的GABA能神经元，其分子特征独立于已知的食欲调控神经元（如POMC、AgRP神经元）。功能实验证实，这类神经元不参与食欲调节，却直接调控能量代谢：抑制其活性会导致代谢下降、体重增加；而激活它则能显著提升能量消耗，有效抵抗高脂饮食引发的肥胖。

研究进一步发现，Crabp1神经元在机体需要增加能耗时被激活，如寒冷环境或运动过程中；而在长期光照等不利条件下则被抑制。通过全脑神经连接图谱绘制，团队发现这类神经元具有“一对多”的广泛投射，通过轴突侧枝同时连接下丘脑多个关键核团，如视前区、室旁核和背内侧核等，形成并行调控网络，协同调节体温、产热和运动等生理过程。

该成果首次揭示了大脑中专门调控能量消耗的神经基础，不仅深化了对代谢稳态的理解，也为开发靶向Crabp1神经元的抗肥胖疗法提供了重要依据。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.08.021

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《Advanced Materials》丨固态电池大升级：电极电解质一体化，弯折上万次不坏

一体化聚合物电极-电解质材料的设计

中国科学院金属研究所科研团队在固态锂电池领域取得重要突破，成功开发出一种集离子传导与离子储存功能于一体的新型聚合物材料P(EO₂-S₃)，为解决传统固态电池界面阻抗高、离子传输效率低的难题提供了创新方案。

传统固态电池中，电解质负责导离子，电极负责储离子，二者界面接触差，成为性能瓶颈。研究团队利用聚合物分子设计的灵活性，在同一分子主链上共价引入兼具离子传导功能的乙氧基团和具有氧化还原活性的短硫链，成功构建出具有“分子尺度一体化界面”的多功能材料P(EO₂-S₃)。该材料在50°C下离子电导率达1.0 × 10⁻⁴ S cm⁻¹，放电比容量高达491.7 mAh g⁻¹，兼具优异的导离子与储离子能力。

实验与理论计算表明，P(EO₂-S₃)的电子结构可随电压变化发生可逆转变，从而实现离子传输与存储功能在不同工作阶段的智能切换。基于该材料组装的一体化柔性电池展现出卓越的机械稳定性，可耐受20,000次弯折，且具备快速反应动力学。更进一步，当将其用作常规正极的聚合物电解质时，其内在的氧化还原活性可在特定电压下被激活，额外提供容量，使正极能量密度提升86%。

该研究不仅深化了对聚合物材料中离子传输与存储耦合机制的理解，更开创了一种“功能一体化”的材料设计新范式，为下一代高性能、柔性、长寿命固态锂电池的发展提供了关键技术路径。

原文链接：

http://doi.org/10.1002/adma.202513365