科创快报|光催化固氮忆阻暂态混沌神经网络VOCs检测
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小创有话说
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高能所在光催化固氮研究中取得进展
8月19日，据中国科学院消息，中国科学院高能物理研究所多学科中心核能化学课题组在金属有机框架材料光催化固氮研究领域取得进展，研究员石伟群团队报道了两例基于紫精配体的自由基MOFs材料Gd-IHEP-7和Gd-IHEP-8。
此MOFs材料均表现出优异的光催化固氮活性，氨生成速率分别为128和220μmolh-1 g-1，其中Gd-IHEP-8固氮效率与文献同类材料相比提高17倍。同时，研究人员首次系统阐释了MOFs材料高效固氮的机理。分析表明，Gd-IHEP-7为基于二维层状结构的多孔框架，在空气中加热后，Gd-IHEP-7会发生二维层状结构向三维孔道结构的转变，进而生成Gd-IHEP-8。两个MOFs材料中紫精配体均以稳定的单自由基形式存在，正是这种稳定的长寿命自由基以及相应的自由基-自由基相互作用，使得MOFs材料在200-2500nm范围内显示宽光谱吸收，从而实现可见光催化固氮。与Gd-IHEP-7相比，在N2还原过程中Gd-IHEP-8形成的中间体与金属离子周围的氧原子之间会形成更致密的氢键网络，可有效降低体系的自由能，使得Gd-IHEP-8表现出更高的光催化固氮效率。该研究为MOFs材料的新型固氮光催化剂的设计和开发提供了新策略。
该研究相关成果以“Solar-Driven Nitrogen Fixation Catalyzed by Stable Radical-Containing MOFs: Improved Efficiency Induced by a Structural Transformation”为题，发表在《德国应用化学》上。
该研究得到国家杰出青年基金项目、国家自然科学基金面上项目的支持。
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针对优化问题的忆阻暂态混沌神经网络研究取得进展
基于忆阻器的暂态混沌神经网络用于函数优化与组合优化问题高效求解
为了提高效率、合理利用资源，人们无时无刻不在面对着各种优化问题，需要在特定条件约束下寻找最佳的解决方案。这些优化问题广泛存在于科学研究、工程与日常生活中，包括物流的运输、资源的调度、智慧工厂与工程设计等。然而，解决这些复杂优化问题往往需要消耗大量硬件和时间资源，并且容易陷入局部极小值。因此，开发微缩化、高效率、低功耗的优化求解器硬件将为未来终端智能决策提供重要基础，是研究人员亟待解决的难题。
为此，北京大学信息科学技术学院微纳电子学系黄如院士、杨玉超研究员课题组提出并实现了一种基于单个忆阻器交叉阵列的高速、低功耗神经形态优化求解器硬件，通过在反馈网络中引入暂态混沌达到了兼顾寻找最优解以及算法收敛性的双重效果。
忆阻器阵列具有高密度、非易失、能够存储模拟值等特性，是实现优化求解器微缩化的硬件基础，并使得整个优化求解过程高度并行、存算一体，是实现硬件低功耗、高吞吐量的关键。在该研究中，课题组将单个氧化钽忆阻器阵列设计为优化求解器硬件的核心，用以映射通过数学变形的暂态混沌模拟退火神经网络。其中，通过交叉阵列对角线位置的忆阻器有效引入了暂态混沌，并控制网络从混沌到收敛的动力学状态转变，达到混沌模拟退火的目的。研究发现，忆阻器对相同编程脉冲的固有非线性响应为优化求解过程提供了高效的退火策略，可以保证以较高的收敛速度得到最优解。实验结果展示了该求解器硬件在连续函数优化、组合优化等典型优化问题中的优异表现，证明了该硬件在优化问题高效求解中的巨大潜力。
相关成果以《基于忆阻器固有非线性的暂态混沌模拟退火用于优化问题高效求解》为题，于8月17日在线发表于《科学·进展》上。
该研究工作得到国家重点研发计划项目、基金委创新群体项目、国家杰出青年科学基金、腾讯基金会、北京智源人工智能研究院等的支持。
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VOCs检测研究取得新进展
基于MILs-MOF构建人工嗅觉系统实现挥发性有机化合物检测的原理示意图
中国科学院高能物理研究所多学科中心李敏团队与广西大学研究人员合作在挥发性有机化合物（VOC）检测研究领域取得进展，相关研究成果以“SERS-Active MIL-100(Fe) Sensory Array for Ultrasensitive and Multiplex Detection of VOCs”为题发表在国际化学期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。
该研究团队发现金属有机骨架（MOFs）MIL-100（Fe）材料对VOCs分子具有吸附拉曼增强效应，其对甲苯和丙酮的吸附检测性能显著优于传统气体传感器。MOFs对VOCs的吸附呈现“阵列分辨传感”特性，能够实现对多种VOCs的传感。引入“热点”后，拉曼增强效应使MIL-100（Fe）对甲苯的检测限降到0.48 ppb，刷新了传统气体传感器的检测极限。通过理论计算，研究人员发现该材料可通过强化吸附、电荷转移、带间共振等几种形式使VOCs在MIL-100(Fe)上实现吸附强化-电荷传递协同作用，最终产生拉曼增强效应。
本研究利用该检测平台对多种肺癌呼出标记物进行分析，显示了其在肺癌早期诊断方面的潜在应用价值，为肿瘤呼出标志物的同时检出开拓了新思路，同时基于吸附强化拉曼增强效应人工嗅觉系统的成功运用，将为肿瘤早诊在方法学上提供新途径。
随着现代化工业迅速发展和人们生活水平不断提高，挥发性有机化合物造成的大气污染和室内环境的微污染问题受到越来越多关注。大部分VOCs有害甚至致癌，因此，实现环境中VOCs的灵敏检测与监测对保护人类健康具有重要意义。
该研究工作得到国家自然科学基金的支持。
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