新进展！中国科大近期科研成果速览

目录

1、中国科大揭示火星核幔分异过程

2、中国科大观测到里德堡原子系统临界点的预警信号

3、中国科大研发出室温液态金属基新型超快充液流电池

4、中国科大提出基于对数螺旋线结构的新型螺旋软体机器人

5、中国科大使用量子模拟器观测规范理论中准粒子禁闭的微观动力学行为

6、中国科大提出识别俯冲带超临界流体活动的多项标准

7、中国科大实现基于非局域性的量子电路等价性检验

8、我国学者实现亿原子级拉曼光谱量子力学模拟

9、中国科大提出用于缓解农作物热胁迫的被动式辐射冷却策略

01

中国科大揭示火星核幔分异过程

中国科学技术大学地球化学与行星科学系高温高压岩石学与矿物学团队在类地行星研究领域取得重要进展，他们通过第一性原理自由能计算揭示了火星核和火星幔的分离过程，发现约束火星的核幔分离发生在远超先前估计的高温高压条件下，这对理解火星的内部结构与长期演化具有重要意义。这项研究以“A deeper and hotter Martian core-mantle differentiation inferred from FeO partitioning”为题，于12月1日在线发表在《Science Bulletin》上。

核幔分异是类地行星历史上规模最大的物质重组过程（图1），其奠定了类地行星的长期演化格局，对理解火星的形成及演化至关重要，也为认识地球等类地行星的演化规律提供重要参考。目前，科学家对火星核幔分异的了解主要基于对火星陨石中中度亲铁元素的研究，依靠这些元素在高温高压条件下的分配行为来推测火星核幔分异的条件。然而，受限于数据的稀缺性以及火星核成分的不确定性，这一过程至今仍无法得到明确约束。

2018年，InSight火星探测器成功发射并着陆。2019年，该探测器首次探测到火星震信号，研究人员利用这些信号结合地球物理学和矿物学方法，首次精确测定了火星核的大小和状态，并对火星核中轻元素的含量进行限制。基于InSight任务的低频火星震数据，研究发现，火星液态核心的密度较低，火星核中存在显著的氧含量。虽然轻元素含量存在不确定性，但通过与核幔分配数据结合，存在进一步约束火星核幔分异过程的可能。

研究团队通过分析氧化铁（FeO）在核与幔物质间的分配行为，结合InSight任务提供的最新火星化学组成数据，对火星的核幔分异过程进行了重新评估。研究采用了第一性原理热力学计算方法，模拟了液态铁与硅酸盐熔体之间的FeO分配系数，结果与现有低压实验数据基本一致，并厘定了温度、压力、氧逸度和硫元素对分配行为的影响。研究团队根据这些结果以及火星氧化还原状态对核幔分异模式条件进行了约束（图2），认为火星的核幔分异需要发生在超过2440 K的温度和14至22 GPa的压力下。虽然这些估计值高于先前的报道，但与火星陨石中的中度亲铁元素丰度及火星聚积模型的结果相符。这项研究不仅修正了人们对火星核形成条件的认识，还为未来的行星形成模型提供了新的研究视角。

图1 火星早期圈层分异形成过程示意图

图2 不同温度压力条件对应的核幔分离氧逸度（热力图）及火星核氧含量（白色断线）

论文第一单位为中国科学技术大学，第一作者与通讯作者为李云国特任教授，合作者包括中国科学技术大学倪怀玮教授与成都理工大学李春辉副研究员、周游副教授和刘耘研究员。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDB41000000）、中国科学技术大学创新研究团队（WK3410000019）项目、基金委优秀青年科学基金等项目的支持。计算工作主要在中国科学技术大学超算中心完成。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324008788

新闻链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90181.htm

02

中国科大观测到里德堡原

子系统临界点的预警信号

中国科大郭光灿院士团队在强相互作用里德堡原子系统的研究中取得重要进展。该团队史保森、丁冬生课题组在里德堡原子驱动耗散系统中观察到了临界点的早期预警信号。相关成果12月9日以“Early warning signals of the tipping point in strongly interacting Rydberg atoms”为题发表在国际知名学术期刊《Physical Review Letters》上。

复杂系统具有显著的非线性和涌现性，在接近临界点时常伴随突发性变化，这种现象贯穿于生态、气候、经济等多个领域。当系统逐渐接近临界点时，其内部动力学特性会发生显著变化，例如波动增强或响应速度减慢，这些特征被提取出来并用作早期预警信号。预警信号不仅揭示了系统接近临界状态的本质，还为预测突变和制定应对策略提供了关键依据。然而，复杂系统的行为具有非线性和高度关联性，捕捉这些信号并实现准确预测仍然是科学研究中的一大挑战。里德堡原子系统因其具有复杂互联性、强非线性和涌现行为，是研究复杂系统临界现象的理想实验平台。丁冬生等人利用双音微波电场驱动里德堡原子，成功提取了临界点到来前的早期预警信号，如图1所示：

图 1 ：物理模型图。（a）为相变示意图。（b）为双音驱动两个里德堡态的能级示意图。（c）为里德堡原子系统的相变。（d）为双音微波驱动下的电磁诱导透明（EIT）谱线。（e）是通过计算图d中谱线的方差得到。在系统接近临界点时，方差表现出非线性行为，这一行为可作为临界点前的早期预警信号

文章通过双势阱模型描述了非平衡相变及临界慢化过程，通过调节扫描时间、铷泡温度等参数，可以系统性地探测和分析不同临界行为的预警信号。在实验中，团队观察到系统相变过程的时间演化，如图2所示。同时，实验观测到不同空间结构条件和尺度下的预警信号，如图3所示。对于这些现象的研究将有助于我们更好地理解复杂系统的临界行为，还为其他由于复杂性引起临界现象的系统提供研究思路。

图 2 ：（a-c）为双势阱模型描述相变过程。（d-f）为预警信号随扫描时间的变化趋势

图 3 ：不同温度下测量的方差和预警信号特征

该工作得到了审稿人的高度评价：这无疑是一个有趣且动机明确的课题。热蒸汽中的里德堡原子已经被用来研究相变或病毒传播和火灾等临界现象。然而，正如作者所指出的，目前还没有关于临界点预测的研究。预测复杂系统中的临界点或许能让我们应对医学、气候科学或经济学等领域中的突发事件。因此，这篇论文可能会吸引广大读者。（“This is certainly an interesting and well-motivated topic. Rydberg atoms in hot thermal vapors have been used to investigate critical phenomena like phase transitions or the spread of viruses and fires. However, as the authors note, there has been no work on the prediction of tipping points. The ability to predict tipping points in complex systems might allow us to respond to sudden events in fields like medicine, climate science, or economics. As such, this paper might appeal to a broad audience.”)

中国科大博士研究生张俊和中国科大博士后张力华为本文的共同第一作者，丁冬生教授为本文的独立通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中国科学院、安徽省重大科技专项以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.243601

新闻链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90180.htm

03

中国科大研发出室温液态

金属基新型超快充液流电池

随着全球碳中和目标的推进，电动汽车（EV）成为实现清洁能源转型的关键。然而，现有锂离子电池（LIB）因能量密度、充电速度及安全性等问题限制了电动汽车的广泛应用。近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏团队在液流电池领域取得重要突破，为电动汽车储能技术的发展提供了新思路。相关成果以题为“High-Performance Liquid Metal Flow Battery for Ultrafast Charging and Safety Enhancement”的论文发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上。

谈鹏教授团队设计了一种由镓、铟以及锌组成的液态合金电极（Ga80In10Zn10, wt.%）作为可流动态负极，结合碱性电解质和空气正极，实现了超高能量密度与快速充电性能。理论容量密度高达1004.4 Ahkg-1，且在10 mA cm-2的电流密度下表现出平均容量密度635.1 Ahkg-1的长时间稳定放电（123小时）。

图1 室温液态金属基液流电池结构及性能

该电池在充电过程中展现出与传统汽油加注相媲美的超快充电能力（<5分钟）。相比于现有的锂离子电池和其替代技术，室温液态金属基液流电池还具有以下显著优势：

1)高安全性：采用水系电解质，显著降低热失控风险；

2)高效率：在800次循环中充电电压为1.77 V，能量效率相比常规空气电极提升22%；

3)优异稳定性：通过添加10%的锌和10%的铟，有效抑制电极枝晶生长和化学副反应，确保电池长时间稳定运行。

该室温液态金属基液流电池为传统混合动力汽车（HEV）提供了一种全新的替代方案，通过单一的液态金属液流电池系统取代传统的内燃机与电池系统双动力源架构。此外，研究团队针对电动汽车的实际应用需求，提出了概念性电池堆叠设计，采用共享的集中式电解质储罐，并结合机械快速充电与传统电化学充电两种模式，大幅提升了系统的灵活性和空间利用效率。

图2 室温液态金属基液流电池堆叠设计及其电动汽车中的应用

我校工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏为该论文的通讯作者，何义博士为第一作者，深空探测国家重点实验室尚文旭博士为共同通讯作者。该研究得到了国家创新人才计划青年项目和安徽省自然科学基金的支持。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.1002/aenm.202405066

新闻链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90292.htm

04

中国科大提出基于对数螺旋

线结构的新型螺旋软体机器人

中国科学技术大学Nikolaos Freris特任教授课题组及其合作者魏熹特任副研究员在软体机器人领域取得重要进展。该团队基于对自然界中多种生物柔性肢体（如象鼻、章鱼触手、海马和变色龙尾巴）形态和运动的系统观察和数学模型抽象，首次提出基于对数螺旋线结构的新型螺旋软体机器人，展示了其在多维度和多场景中执行复杂抓取和操作任务的能力。相关研究成果以“SpiRobs: Logarithmic Spiral-shaped Robots for Versatile Grasping Across Scales”为题发表在Cell Press（细胞出版社）旗下期刊Device上。

软体机器人凭借其自身的安全性和灵活性而备受瞩目，是机器人领域的前沿研究课题。然而，现有的软体机器人在灵巧性、运动速度、协作交互等关键性能方面，仍然与自然界生物的柔性肢体间存在较大差距。

通过对多种生物的柔性肢体（象鼻、章鱼触手、海马和变色龙尾巴等）的形态学共性进行数学抽象和建模，该研究团队提出了一类具有普适性和可扩展性的软体机器人——螺旋机器人（如图1所示），并系统研究了其设计理论、制备方法和操作策略，在多尺度、多材质、多维度和协作交互等拓展应用场景中展示了该类机器人在动作灵巧度、精细度及速度等方面可比拟生物体的优越性能。

图1 螺旋机器人的设计原理及多种样机。（A）螺旋线设计原理的仿生灵感来源。（B）本工作实现的代表性螺旋机器人

研究团队提出一种逆向设计方法来实现螺旋机器人：首先确定机器人的极限卷曲形态（即遵循对数螺旋线方程），然后将螺旋线进行离散，展开得到机器人的直线形主体设计（如图2所示）。该机器人通过采用3D 打印加工成型，成本低、制备速度快，可实现高效优化和快速迭代。

此外，研究团队还进一步提出了一种仿生抓取策略，并基于简单的电流感知和控制即可实现对不同位置、不同物体的自动抓取，克服了传统方法中对于高精度传感器和复杂建模与控制方法的依赖。在此基础上，研究团队展示了大量拓展设计（尺度从厘米到米不等）以及多机器人协作阵列。

图2 螺旋机器人的操作策略及应用展示。（A）仿生操作策略。（B）螺旋机器人在多维度和多场景中执行复杂抓取和操作任务的展示

这项研究提出的新型螺旋机器人技术有望进一步推进软体机器人的发展和成熟，为复杂抓取任务、人机交互、低空经济产业等应用场景提供强大的技术支持和创新解决方案。

中国科学技术大学计算机科学与技术学院博士生王展翅为论文第一作者，其合作导师中国科学技术大学计算机科学与技术学院Nikolaos Freris特任教授和化学与材料科学学院魏熹特任副研究员为该论文共同通讯作者。

论文链接：

 https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00603-3

新闻链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90291.htm

05

中国科大使用量子模拟器观测规范

理论中准粒子禁闭的微观动力学行为

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与合作者在超冷原子量子模拟实验研究中取得了重要进展，研究团队首次观测到格点规范理论中的禁闭相与非禁闭相转化的微观动力学过程，为理解这一复杂的量子多体现象提供了新的研究手段。相关成果近日发表在国际知名学术期刊《 自然·物理学 》（Nature Physics） 上。

禁闭（confinement）是一类非常有趣的物理现象，其中夸克禁闭为人们所熟知——虽然夸克是组成物质的基本粒子，但是由于夸克之间强相互作用的存在，人们无法在自然界中观测到单个的夸克，它们总是以多个捆绑在一起形成复合粒子的形式（如中子、质子）被观测到；即便是在高能粒子碰撞机中，人们也几乎无法改变夸克之间的相互作用，粒子碰撞碎片中的夸克瞬间就形成了新的复合粒子。类似地，人们在凝聚态体系中观测到了准粒子成对出现的现象，通过量子调控手段可以改变准粒子间的相互作用，从而使得准粒子受控地处在禁闭或者解禁闭状态。一个物理体系中是否存在禁闭现象以及能否人为调控粒子间相互作用实现禁闭到解禁闭状态之间的转换，牵涉复杂的量子多体效应，理论上一般没有解析方法求解，数值求解也面临各种挑战。

近年来，超冷原子量子模拟器的出现为研究禁闭问题提供了新的手段。2020年，中国科大的研究团队首次使用超冷原子光晶格量子模拟器建模了U(1)格点规范理论并验证了相应的局域规范守恒特性[Nature 587, 392 (2020)]，其后系统地研究了该理论的非平衡热化过程[Science 377, 311 (2022)；Phys.Rev. Res. 5, 023010(2023)；Phys. Rev. Lett. 131, 050401 (2023)]。基于以上基础，进一步研究U(1)格点规范理论中的禁闭-解禁闭相变问题仍面临两个重要困难：在理论上缺乏产生有效外电场的可行方案，在实验上缺乏产生和测控准粒子态的单格点原位调控技术。

在此项实验中，研究团队中的实验和理论合作者巧妙地设计了线性倾斜势与超晶格势阱结合的方案，在该条件下将玻色-哈伯德模型映射为具有动态电场的U(1)量子链路模型，实验模拟了具备动态外电场的量子电动力学规范理论；同时，研究团队开发了具备单格点及粒子数分辨的量子气体显微镜，原位产生并实时观测了粒子与反粒子对的微观动力学，清晰展示了U(1)格点规范理论中禁闭相和非禁闭相的转变过程。

此项研究表明，超冷原子量子模拟方法为探索规范理论中的量子相变提供了全新视角，并将在研究非阿贝尔格点规范理论、二维和三位格点规范模型的非平衡动力学等计算复杂度超越经典计算能力的物理问题中获得更为重要的应用。该论文自去年在arXiv预印本网站公布以来即受到相关领域学者的广泛关注，目前已被引用40余次，研究团队成员也受邀在国际原子物理大会ICAP2024和Gordon Research Conference上报告相关研究进展。

中国科学技术大学博士后章维勇、博士研究生刘颖和北京科技大学讲师程艳婷博士为论文的共同第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和安徽省的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-024-02702-x

新闻链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90290.htm

06

中国科大提出识别俯冲带

超临界流体活动的多项标准

超临界流体（Supercritical fluid）是形成于高温-高压环境下，水和硅酸盐熔体完全互溶的一种特殊流体。其具有非常强的元素迁移能力，在地球内部物质循环的很多方面都发挥了巨大作用。然而，如何在处于常温常压状态下的天然样品中识别超临界流体是长期以来的研究难点。近日，中国科学技术大学肖益林教授的研究团队与合作者系统总结了迄今为止相关领域的进展，并进行了进一步的数据分析，提出了识别俯冲带中超临界流体活动的4个方面的标准。相关成果以Natural records of supercritical fluids in subduction zones为题发表在最新一期的地球科学国际知名期刊Earth-Science Reviews上。

图1 全球俯冲带多相包裹体记录了不同类型的流体，流体类型与包裹体的形成温压条件和子矿物组合有关

该研究首先从相图层面明确了超临界流体的概念，然后从多相包裹体（图1）、特殊的元素迁移、超临界流体的相分离效应和同位素分馏等方面详细阐述了天然样品中超临界流体活动的记录。最后，本研究提出了4个方面的识别超临界流体活动的标准。包括（1）盐类子矿物是富水流体包裹体的识别指标，对碳酸盐、硫化物/硫酸盐、磷酸盐和氧化物这4类子矿物，代表含水熔体的包裹体中这些子矿物的种类数≤2，而代表超临界流体的包裹体中这些子矿物的种类数≥2（图1）；（2）计算获取的超临界流体相比源岩的元素富集系数具有CaO/Al2O3≥1.15、FeO/Al2O3≥0.5和MgO/ Al2O3≥0.6的特征，而含水熔体则小于上述临界值（图2）；（3）微量元素特征，从超临界流体中结晶的金红石往往具有较低的Nb含量，此外，在Log[Ta]-Log[Nb]图中，超临界流体交代后的榴辉岩成分与由玄武岩成分确定的线性拟合线之间的距离大于0.1；（4）超临界流体的Fe同位素组成（0.9-1.1‰）远高于其它流体（<0.4‰）。

图2 由流体组分计算的元素富集系数的比值可用于区分不同类型流体

本文第一作者为中国科大特任副研究员王洋洋，通讯作者为肖益林教授，合作者还有陈仁旭教授、陈伊翔教授以及中国科学院地质与地球物理研究所的李继磊研究员和郭顺研究员，该项工作受到国家重点研发计划（2018YFA0702701）的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2024.105031

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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90289.htm

07

中国科大实现基于非局域

性的量子电路等价性检验

我校郭光灿院士团队在量子电路等价性实验研究中取得重要进展。该团队李传锋、柳必恒等人与清华大学魏朝晖助理教授合作，实现了基于贝尔非局域性的量子电路等价性检验。该工作于12月23日发表在国际知名期刊Physical Review Letters上。

量子电路模型是量子计算中广泛应用的理论模型。判断两个独立量子电路能否实现相同功能是一个基础性问题。类似于经典计算的电路等价性问题，量子电路等价性检验对于判断量子算法编译准确性和提升量子电路优化效率至关重要。此前，即使在量子电路内部结构已知的情况下，等价性检验仍被证明是QMA-hard问题。实际场景中，量子电路内部结构往往不可直接观察，使得该问题更具挑战性。

图1.量子电路等价性检验协议概念图

图2.不同3-比特量子电路等价性验证实验结果

为解决上述难题，研究组提出了一种结合量子电路距离度量和贝尔非局域性的全新方案。该方案将待测量子电路插入标准贝尔测试中，通过测量其对非局域性的影响来度量不同待测电路之间的距离，最终完成等价性检验。该实验中，实验人员在8×8维的光子系统中构造了Hadamard门，Toffoli门组成的通用量子门集合，并利用其制备不同量子电路完成等价性检验。针对实验中量子噪声，研究团队构建了相应的噪声模型，实验数据与模型结果高度吻合。此外，为展示等价性检验在量子电路优化中的重要作用，研究组设计了两个门结构不同但功能等价的量子电路，实验结果表明其在等价性检验中距离为0。

该工作是国际上首次利用贝尔非局域性进行量子电路等价性检验的实验研究。值得注意的是，该协议所需量子电路运行次数与电路规模无关，展现出极高的实际应用潜力。

文章第一作者为中国科学院量子信息重点实验室博士研究生唐昊、特任副研究员郭钰以及清华大学交叉信息研究院博士生孙维孝。本研究得到合肥国家实验室、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省和北京市的支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.260602 

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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90355.htm

08

我国学者实现亿原子级拉曼光谱

量子力学模拟

中国科学技术大学精准智能化学重点实验室商红慧教授、杨金龙教授团队与中国科学院计算技术研究所刘颖高级工程师，华东师范大学何晓教授等团队合作完成的研究成果“Pushing the Limit of Quantum Mechanical Simulation to the Raman Spectra of a Biological System with 100 Million Atoms”成功入围2024年戈登·贝尔奖，这是2024年入围该奖的唯一中国团队成果，也是该团队继2021年后再次入围该奖项。戈登·贝尔奖是国际高性能计算应用领域最高奖，由美国计算机协会（ACM）颁发，用于表彰世界范围内高性能计算的杰出成就，尤其是高性能计算应用于科学、工程和大规模数据分析领域的创新工作，被称为“超算领域的诺贝尔奖”。此前，该成果也获得了2024年中国计算机学会(CCF)“中国超算年度最佳应用奖”。

入围ACM Gorden Bell奖

获得“中国超算年度最佳应用奖”

拉曼光谱是研究生物分子结构的重要工具，被广泛应用于药物开发、疾病诊断等领域，然而，拉曼光谱量子模拟计算量巨大。此前的拉曼光谱量子模拟仅能处理数千原子的小体系，研究团队开发的QF-RAMAN程序突破了这一限制，首次实现了包含1亿多原子的新冠病毒刺突蛋白在水溶液中的拉曼光谱量子模拟，与以往工作相比取得了4~5个数量级的提升。这一突破的实现得益于团队在算法设计和工程技术方面的多项创新。在传统密度泛函理论（DFT）和密度泛函微扰理论（DFPT）计算中，计算量随体系规模的增大呈现三次方增长，这使得计算通常只能局限于小型体系。针对以上问题，团队开发了将全电子全势密度泛函微扰理论与量子分块算法深度融合的新方法，将复杂生物分子分解为多个子系统，显著降低了计算复杂度。同时团队针对海量分块计算的负载均衡难题，开发了分块体量敏感的多级调度技术，提高了海量分块计算的并行可扩展性；针对小规模运算的异构加速难题，设计了弹性任务卸载技术，通过小规模运算的灵活聚合，大幅提高异构加速器的硬件利用率。此外，QF-RAMAN程序采用OpenCL通用异构并行计算框架，能在不同硬件架构(CPU、GPU、SW等)的超级计算机上，借助OpenCL编译工具链(oneAPI、rocm、swcl等)实现跨平台运行。在最新一代神威超级计算机上，该程序利用96,000个计算节点（超过3,700万个计算核心）实现了399.9 PFLOP/s的双精度峰值性能；在东方超级计算机上，使用6,000个节点（24,000个GPU），程序也展现了85 PFLOP/s的优异性能。在新一代神威超级计算机上取得了99%的弱可扩展性测试结果，充分展示了该方法的高效性和可扩展性。在此基础上，团队提出了适用于亿级原子体系的矩阵方程求解拉曼光谱的新算法，避免了直接对角化求解，为高精度拉曼光谱计算提供了全新方案，有效解决了大规模量子力学拉曼模拟中的关键技术难题。

这项研究表明，量子力学模拟可以扩展到前所未有的规模，这也为理解复杂生物系统开辟了新途径。以新冠病毒研究为例，该方法可以精确模拟刺突蛋白的结构特征，为深入理解病毒感染机制提供了科学支撑，为药物研发和疫苗设计贡献了重要参考。这一方法还可推广到其他重要生物分子的研究中，成为生物医学研究领域强大的研究工具。此次技术突破不仅展示了中国在高性能计算和计算化学领域的领先地位，也为量子力学模拟的应用场景探索了全新的可能。这一成果为高性能计算与科学研究的深度融合奠定了坚实的技术基础，将推动生物分子模拟研究进入新阶段。

论文链接：

[1] Honghui Shang*, Ying Liu*, Zhikun Wu, Zhenchuan Chen, Jinfeng Liu, Meiyue Shao, Yingzhou Li, Bowen Kan, Huimin Cui, Xiaobing Feng, Yunquan Zhang, Donald G. Truhlar, Hong An, Xiao He*, and Jinlong Yang*. Pushing the limit of quantum mechanical simulation to the raman spectra of a biological system with 100 million atoms. InProceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis,SC '24(GB finalist).https://dl.acm.org/doi/10.1109/SC41406.2024.00011

[2] https://sc24.supercomputing.org/2024/10/presenting-the-finalists-for-the-2024-gordon-bell-prize/

[3] https://pichem.ustc.edu.cn/2024/1225/c34505a669757/page.htm

新闻链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90356.htm

09

中国科大提出用于缓解农作物

热胁迫的被动式辐射冷却策略

随着全球变暖的加剧，高温干旱天气频发。持续性的高温干旱环境使农作物长期处于热应激状态，从而影响农作物产量。微雾喷淋、湿帘风机等传统的降温方式往往需要消耗大量能源和水，因此需要提出一种被动式降温节水策略来优化农作物生长的局部环境。

近日，中国科大光学与光学工程系刘文教授、李明特任副研究员课题组提出一种基于聚合物多层干涉原理的光谱选择性辐射冷却膜（PMF-RC膜）。PMF-RC膜由两个不同的聚合物多层膜系和一种透明聚合物辐射制冷材料组成，可选择性地透过用于农作物生长的光合有效辐射，反射植物叶片利用率较低的绿光和近红外光，并具有优异的辐射制冷性能，实现了零能耗降低空气温度、土壤温度和土壤水分蒸发量，并显著提升了高温环境下作物的产量。相关成果以“A Low-Cost and Large-Scale Producible Polymer Multilayer Radiative Cooling Film for Reducing Plant Heat Stress”为题发表在《ACS Photonics》上。

图1. PMF-RC膜的原理和结构示意图

在户外测试中，相较于传统的覆盖农膜（PE膜）和露天环境，PMF-RC膜覆盖后使空气温度下降了2.3-5.0℃、土壤表面以下3厘米处的温度下降了2.1-4.1℃、土壤水分蒸发量下降了11.2-32.4%。在实际的作物种植实验中，PMF-RC膜下生长的落葵、意大利生菜和中国小青菜的产量均有1-3倍的提升。相较于传统的真空镀膜技术，PMF-RC膜采用微纳层叠多层共挤技术制备，具有显著的成本优势和更快的制备速度。除此之外，PMF-RC膜具有优异的耐老化性能和力学性能，十分适合在温室农业生产中广泛应用。本研究促进了聚合物辐射制冷材料在农业种植领域大规模实际应用的进程。

图2.种植实验结束时各种作物的生长状况

中国科学技术大学硕士研究生蒋树宝为论文第一作者，刘文、李明为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划项目、中央高校基本研究基金和安徽省重点研发计划项目的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c02043

新闻链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/90357.htm