一周前沿科技盘点〔173〕丨从能谱直接重建电子发射时刻；低溴浓度实现高稳定性锌溴电池

电子超快动力学蕴含光与物质相互作用的关键信息，但传统测量依赖间接手段。新方法突破限制，实现从能谱中直接提取发射时序。

溴基液流电池因溴腐蚀问题寿命受限。中国科学院科研团队通过双电子反应和溴清除剂，显著提升稳定性和循环寿命。

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173期。

1《Physical Review Letters》丨从能谱直接重建电子发射时刻

太赫兹驱动电子飞秒动力学与脉宽重构示意图

电子的超快动力学过程承载着非平衡态演化与微观能量转移的核心信息，是理解极端时空尺度下光–物质相互作用的关键。传统泵浦—探测技术虽广泛应用，但其间接性依赖外部时序参考，且受限于强场发射中的能谱混叠效应，难以建立能量与发射时刻的直接映射。

中国科学院上海光学精密机械研究所研究团队提出并实验验证了一种无需泵浦—探测的直接时间重建方法。该方法通过构建波形不对称的驱动场与空间非均匀的近场环境，打破能谱混叠条件，建立起电子动能与发射时刻之间的直接对应关系。实验中，团队利用载波包络相位稳定的单周期太赫兹脉冲驱动石墨针尖，借助波形不对称性与纳米近场梯度的协同作用，有效抑制电子再散射，从电子能谱中直接提取亚周期尺度的时间信息，重构出73.0–81.0飞秒的电子脉冲轮廓，与理论高度一致。通过翻转太赫兹脉冲相位，还观测到相位依赖的能谱特征及低能峰锚定现象。模拟显示该方法具备72.8%的截止能量调制深度和99.7%的电流抑制能力，展现出对电子发射过程的精准调控。

该成果为强场超快电子动力学提供了普适性直接测量原理，对发展新一代超快电子源和光波电子器件具有重要意义。

原文链接：https://doi.org/10.1103/z8pk-y8h8

2《Nature Energy》丨低溴浓度实现高稳定性锌溴电池

科研人员开发出高能量密度、长寿命、多电子转移溴基液流电池新体系

溴基液流电池凭借资源丰富、电极电势高和溴物种溶解度高等优势备受关注，但充电过程中生成的溴单质（Br₂）具有强腐蚀性，严重损害电池材料，限制循环寿命并推高成本。传统溴络合剂虽可缓解腐蚀，却易形成非均相结构，增加系统复杂性。

中国科学院大连化学物理研究所团队开发了一种新型溴基两电子转移反应体系，应用于锌溴液流电池，实现了长寿命运行的概念验证与系统放大。该方法在电解液中引入胺类化合物作为溴清除剂，将电化学生成的Br₂高效转化为溴代胺类物质，使游离Br₂浓度降至约7 mM。不同于传统的Br⁻/Br₂单电子反应，该体系实现了Br⁻到Br⁺的双电子转移，不仅提升了能量密度，还大幅降低电解液腐蚀性。基于此，团队使用常规非氟离子交换膜组装单电池，在5 kW级系统中于40 mA cm⁻²电流密度下稳定运行超过700次循环，能量效率达78%以上。循环前后，集流体、电极及膜等关键组件均未见腐蚀迹象。

该研究为构建高稳定性、低成本的长寿命溴基液流电池提供了全新路径，推动锌溴液流电池走向实际应用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-025-01907-5

3《Space Weather》丨低轨卫星寿命缩短的诱因获揭示

近年来，低地球轨道（LEO）卫星数量激增，而稀薄的大气阻力导致轨道衰减，是影响任务寿命的关键因素。澳大利亚科廷大学的Binar-1立方星于2021年10月部署，运行约1年后再入轨，符合预期；但2024年9月释放的Binar-2/3/4仅运行2个月便提前陨落，远低于6–8个月的设计寿命。

中国科学院国家空间科学中心、国家天文台等单位联合分析发现，这一异常与空间天气剧烈增强密切相关。研究团队综合太阳与地磁活动观测、GRACE-FO、SWARM-C等卫星的大气密度探测数据，以及NRLMSISE-00、JB2008和Jacchia71等大气模型，揭示Binar-2/3/4运行期间正值第25太阳活动周高年，太阳辐射指数接近Binar-1时期的2倍，导致低轨大气密度显著上升，轨道衰减加速。基于实测空间天气参数的寿命估算约为68天，与实际高度吻合；若沿用Binar-1时期的空间天气条件，预测寿命约为7个月；而采用常用中长期空间天气预报值，则预测寿命为4个月——均显著高于实际。这表明，空间天气的快速变化超出历史水平和常规预报，是卫星提前再入的直接原因。

该研究凸显了在卫星任务规划中采用实时空间天气数据的重要性，对提升低轨航天器寿命预测精度和任务可靠性具有重要参考价值。

原文链接：https://doi.org/10.1029/2025SW004619

4《Acta Materialia》丨纳米“千层饼”让微开关寿命大增

面向微机电系统开关超长服役寿命的材料优化设计及化学成分梯度扩散调控机制

微机电系统（MEMS）开关芯片中的微悬臂梁，如同每秒弹跳数千次的微型弹簧，其可靠性直接决定手机、航天器等设备的寿命。传统金基材料导电性好但太软，易在高频疲劳下失效。

中国科学院金属研究所研究团队研制出一种由纳米晶镍与镍钨合金交替堆叠的层状复合材料，形似“千层饼”，为微悬臂梁赋予“自修复”能力。该材料在数十亿次超高周疲劳测试中，寿命较主流材料提升约60%。其核心机制在于：循环载荷下，镍原子从平滑界面迁移到粗糙界面，在粗糙区形成“贫钨区”作为缓冲层，提升变形协调性；同时在平滑区留下“富钨区”，降低层错能，持续激发纳米孪晶和层错生成——如同内部不断生长“强化筋”，有效抑制疲劳损伤累积。两种机制协同延缓裂纹萌生与扩展。团队还开发了与现有MEMS工艺兼容的制备技术，并与企业合作推进应用，有望用于高功率、低损耗射频/微波固态开关及继电器芯片。

这一突破为高端微机电系统提供了全新材料解决方案，或将重塑未来电子器件的可靠性边界。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121705

5《Science Advances》丨拓扑异构酶“转运态”结构首次解析

T4噬菌体II型DNA拓扑异构酶中心结构域Apo状态、结合G-DNA以及结合T-DNA的冷冻电镜结构

II型DNA拓扑异构酶通过切断“门片段DNA”（G-DNA），让另一条双链DNA（T-DNA）穿过，以解除复制、转录和染色体分离中的超螺旋与缠结，对维持基因组稳定性至关重要。尽管此前已获得其与G-DNA结合的结构，但T-DNA被捕获与转运的关键中间态长期缺乏直接证据。

中国科学院生物物理研究所研究团队利用冷冻电镜技术，成功解析了T4噬菌体II型拓扑异构酶在溶液中稳定结合T-DNA的三维结构（分辨率约3 Å）。该结构显示，T-DNA被容纳于酶的中央腔室，整体构象更接近无底物的apo状态，明显区别于G-DNA结合态；同时电子密度图中还观察到松散结合的G-DNA信号，提示此状态可能出现在G-DNA切割并重新连接之后。基于此，团队提出酶可能沿已重连但尚未释放的G-DNA滑动，实现连续高效催化。突变实验进一步证实，C门区域的Arg375残基对T-DNA转运至关重要——其电荷改变显著抑制酶的超螺旋松弛活性，表明C门是潜在药物靶点。

该研究填补了II型拓扑异构酶催化循环中的关键结构空白，不仅完善了其工作机制模型，也为开发靶向T-DNA转运过程的新型抗感染或抗肿瘤药物提供了重要结构基础。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw2839

6《New Phytologist》丨物种热生态位决定树线迁移快慢

CTI解释树线迁移速率示意图

在全球气候变暖背景下，高山树线等物种边界本应向高海拔或高纬度扩张，但观测显示其迁移速率普遍滞后于预期，且存在显著区域与物种差异。传统研究多聚焦温度变化本身，忽视了物种对温度敏感性的差异。

中国科学院青藏高原研究所等团队基于半球尺度数据，从物种热生态位角度切入，整合全球9种典型树线树种、66个高山样点的长期观测及物种分布信息，创新性构建“冷耐受指数”（CTI），用以衡量树线在其热生态位中的相对位置，量化低温胁迫强度。研究发现，全球多数树线并非处于物种热生态位的绝对冷缘，而是位于偏冷区域（平均CTI=0.21），表明其分布同时受干旱、养分、竞争等非热因子限制。更重要的是，CTI对树线迁移速率的解释力达47.68%，远高于单纯升温幅度的20.64%；二者联合模型可解释62.44%的迁移变异。结果显示，只有真正处于冷极限附近的树线，在气候变暖后才会快速上移；而未受强低温限制的树线，即使升温明显，也可能因水分或养分不足而保持稳定。

该研究揭示了“是否处于低温限制”是驱动树线响应气候变暖的核心机制，为预测全球变化下物种边界动态提供了基于生态位理论的新分析框架。

原文链接：https://doi.org/10.1111/nph.70812

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