研究发现辐射主导磁重联中的自旋凝聚等离子体

磁重联是等离子体中磁能快速释放和粒子加热加速的关键过程，广泛存在于太阳耀斑、地球磁尾、黑洞喷流、伽马暴乃至聚变装置等多种等离子体环境中。当磁场强度达到极端水平时，电子在重联过程中将进入辐射主导区域，此时辐射阻尼、光子辐射及粒子自旋动力学等因素成为重要机制。然而，在这类极端磁重联环境中，等离子体将如何演化、自旋如何响应、辐射信号呈现出怎样的观测特征，仍是等离子体物理与高能天体物理交叉研究中的前沿科学问题。 近日，中国科学院理论物理研究所副研究员弓正与德国马克斯-普朗克核物理研究所科研人员合作，在极端强场磁重联研究方面取得进展。该研究基于包含辐射反作用、自旋动力学及量子辐射偏振效应的粒子模拟系统，在辐射主导的磁重联中发现了一种新结构——自旋极化凝聚等离子体。研究发现，在这一过程中，电子在相空间中迅速收缩至一个由辐射阻尼诱导形成的“螺旋吸引子”不动点，形成多个微小且高密度的等离子团粒，并实现了自旋方向与局域磁场方向平行的准同步极化。 这一凝聚结构表现出高于传统等离子体团粒的密度压缩率，同时，电子辐射出的高能伽马光子呈现出一种异常的线性偏振状态，其偏振方向垂直于电子的运动平面。这一现象偏离了经典同步辐射模型预期，表明自旋翻转在辐射过程中对角动量转换具有关键作用，进而引发了辐射偏振方向的重新分布。这一发现为解释磁星、蟹状星云等高能天体观测中出现的异常伽马射线偏振信号提供了新的理论支撑。 上述研究将辐射反作用与自旋动力学系统性地引入强辐射磁重联的建模框架，突破了传统等离子体模型中“忽略自旋辐射效应”的近似假设，为高能等离子体辐射过程建模提供了新的理论工具。研究揭示的“自旋极化-辐射偏振”关联机制，为多信使天体物理中关于高能偏振的观测研究打开了新窗口，有望成为未来解析宇宙磁场结构、粒子加速机制与局域等离子体状态的物理手段之一。 相关研究成果在线发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。研究工作得到国家自然科学基金的支持。 论文链接 磁场和等离子体的空间分布：a、b描绘磁场，c、d展示电子密度。

科研团队利用卫星遥感技术精确量化全球垃圾填埋场甲烷排放

近日，中国科学院空天信息创新研究院研究员程天海团队在垃圾填埋场甲烷排放监测方面取得进展。该团队利用高分辨率卫星遥感技术，开发了精准量化垃圾填埋场甲烷排放的新方法，并基于这一方法对全球垃圾填埋场进行了系统评估。 垃圾填埋场是全球第三大人为甲烷排放源，约占全球人为甲烷排放量的18%，对其开展甲烷排放精准监测具有重要意义。传统甲烷排放监测主要依赖地面测量和模型估算，存在覆盖范围有限、精度不足、成本高昂等问题。该团队利用30米空间分辨率和10纳米光谱分辨率的遥感卫星，结合匹配滤波算法和积分质量增强法，识别并量化了全球范围102个垃圾填埋场的甲烷羽流（气体从排放源释放后形成的一种羽毛状扩散结构）及其排放速率，共检出367个有效羽流，实现对全球垃圾填埋场甲烷排放的精准量化。 进一步，该团队对全球两类垃圾填埋场展开了研究。一类是未采取封闭或严格防护措施的露天垃圾场；另一类是经过科学设计、建设和运营，能够对生活垃圾等废弃物进行无害化处理的卫生垃圾场。团队将卫星反演结果与经实地验证的机载测量数据集交叉验证，结果具备较高的一致性，证实了该方法的可信度。结果表明，填埋场甲烷排放受管理方式影响显著，其中露天垃圾场的甲烷排放平均强度是卫生垃圾场的4.8倍。该方法从全球尺度系统评估了不同填埋管理方式下的甲烷排放差异。同时，该成果为修正当前排放数据库的偏差提供了科学依据。 这一方法提高了垃圾填埋场的监测精度与广度，为全球甲烷排放监测提供了新的解决方案。 7月28日，相关研究成果在线发表在《自然-气候变化》（Nature Climate Change）上。 论文链接 遥感监测到的垃圾填埋场甲烷分布情况。a-c为露天垃圾场，d-f为卫生垃圾场。 两种垃圾填埋场类型（露天垃圾场和卫生垃圾场）甲烷排放通量分布

科学家破译人体衰老的蛋白密码

衰老作为一项涉及多器官、跨越多重生物学层级的机体系统性退行性演变，其深层的分子机制至今仍是生命科学领域悬而未决的核心命题。我们的各器官系统是否遵循统一的衰老节律？是否存在调控系统衰老的分子时空枢纽？这些问题长期以来缺乏系统性的实证解答。 当前，科学共识指出，蛋白质稳态的失衡是衰老进程中标志性的分子特征之一。人类基因组编码的超两万种蛋白质，作为细胞结构的基石，其构成的动态网络精密调控着生理稳态，是一系列生命活动的核心执行者。因此，系统绘制跨越生命周期的蛋白质组动态全景图谱，解析器官及系统尺度下蛋白质网络的重编程规律，对于精准识别衰老的核心驱动因素并确立干预靶标具有重要意义。 中国科学院动物研究所研究员刘光慧、北京基因组研究所（国家生物信息中心）研究员张维绮、动物研究所研究员曲静与四川大学华西医院教授杨家印合作团队，首次融合超高灵敏度质谱技术与机器学习算法，系统构建了横跨人类50年生命周期的蛋白质组衰老图谱，涵盖七大生理系统、13种关键组织，从蛋白视角呈现了机体增龄性演变的全景式动态景观。这部“人体衰老蛋白质分子编年史”揭示，蛋白质信息流紊乱是器官衰老的核心特征之一，其本质在于mRNA-蛋白质解偶联与病理性淀粉样沉积的协同作用导致蛋白质稳态网络的系统性崩解。同时，研究首次确立血管系统为衰老进程的“先锋组织”，其在生命早期即显著偏离稳态轨迹。衰老的血管系统通过特异性分泌GAS6等促衰蛋白，激活跨器官级联信号网络，发挥“衰老枢纽”的核心调控功能，驱动并放大全身多器官的系统性衰老进程。 蛋白质稳态调控网络作为维系细胞功能的核心精密调控轴，统筹蛋白质合成、折叠、修饰、转运与降解等关键生命过程。该团队首次在人类多组织层面确证，衰老伴随系统性蛋白质稳态失衡，其核心表征为：中心法则信息流断裂——表现为mRNA与蛋白质丰度相关性随增龄显著解偶联，导致遗传信息向功能性蛋白的精准转化普遍受阻；蛋白质量控制系统级联衰减——核糖体蛋白、分子伴侣及蛋白酶体亚基呈现跨组织普遍性下调，提示合成、折叠与降解通路的协同失能；病理性蛋白广泛沉积——淀粉样蛋白、免疫球蛋白及补体成分在衰老组织中异常累积并交互作用，形成促炎性的“淀粉样-免疫球蛋白-补体”网络，构成炎症性衰老的分子基石。尤为显著的是，血清淀粉样蛋白P被鉴定为最具跨组织保守性的“泛组织年龄上调蛋白”，在大多数衰老组织中一致性显著升高；体外功能研究证实，其可损害年轻血管内皮细胞功能，诱导衰老表型及促炎因子表达，提示其作为驱动早期衰老的功能获得性信号分子的核心作用。 基于前沿人工智能算法，该团队构建了覆盖13种人类组织的特异性“蛋白质组衰老时钟”，首次在蛋白质时空维度，解析了器官衰老的显著异质性及其动态架构。深度分析发现，30岁左右为衰老轨迹的初始分水岭——肾上腺组织率先呈现衰老特征，提示内分泌稳态失衡或为早期驱动力；同期主动脉亦出现稳态偏移，进一步印证了它作为“衰老哨兵”的先锋定位。45岁至55岁被确认为衰老进程的里程碑式转折点，大多数器官蛋白质组在此阶段经历“分子级联风暴”，差异表达蛋白呈爆发性激增，标志其成为多器官系统性衰老的关键生物学转变窗口。主动脉蛋白质组在此过程中的重塑最为剧烈，其分泌组与循环血浆蛋白质组动态谱呈现强共演变特征，提示衰老相关分泌因子可能是介导衰老信号系统性传播的枢纽机制。 为验证“血管衰老中枢”假说，该团队锁定关键衰老相关分泌因子展开功能解析。团队发现，代表性范例GAS6在衰老主动脉组织及循环系统中呈现跨尺度显著富集。体外功能研究证实，GAS6可直接驱动人类血管内皮细胞与平滑肌细胞衰老表型。动物模型进一步揭示，外源系统性给予GAS6显著加速中年小鼠运动功能衰退及多器官衰老进程。类似地，GPNMB、COMP、HTRA1、IGFBP7等衰老相关分泌因子亦被证实可直接诱导血管细胞衰老。其中，外源注射GPNMB，模拟衰老血液GPNMB的累积，可重现系统性加速衰老表型。这些多维度、跨物种的因果性证据在机制层面确证了“衰老扩散”理论的核心原则，即局部衰老组织通过特异性分泌因子，驱动远端器官衰老级联，从而将衰老研究的范式从聚焦传统的“细胞内分子机制”拓展至“器官间通讯网络”的系统维度。 这一研究整合蛋白质组大数据、人工智能建模与多维度功能验证，首次提出“蛋白质稳态失衡-血管衰老枢纽”模型，为系统性衰老机制提供了新范式。 7月25日，相关研究成果以Comprehensive Human Proteome Profiles Across a 50-Year Lifespan Reveal Aging TrajectoriesSignatures为题，发表在《细胞》（Cell）上。 论文链接 科学家破译人体衰老的蛋白密码

“磐石·科学基础大模型”正式发布

7月26日，中国科学院“磐石·科学基础大模型”在2025世界人工智能大会上正式发布。其实现了对波、谱、场等多种科学模态数据的深入理解，具备科学文献萃取融合、科学知识表征推理和科学工具编排规划等核心能力。 当前，“人工智能+科学”研究普遍采用领域数据微调通用大模型、各自构建单一领域专用工具的模式，存在科学数据孤岛、专业推理能力不足、研发生态封闭三大挑战。 中国科学院自动化研究所等研发的“磐石·科学基础大模型”，可实现对数据和模型等各类资源的管理，以及对计算仿真等各类工具的调度。科研人员可在科研各环节轻松调用模型，实现人工智能在科学研究中的无感嵌入。 在核心架构方面，“磐石·科学基础大模型”采用异构混合专家架构，在国产开源大模型基础上，面向科学领域进行深度定制，集成了自主研发的一系列面向共性科学数据模态的专用模型，并融合了AlphaFold、MatterGen等领域专业模型。 在科学能力方面，该大模型已系统掌握数理化天地生六大学科核心定理、定律与专业知识，并实现了对波、谱、场等多种科学模态数据的深入理解。 基于“磐石·科学基础大模型”，研发团队还开发了“磐石·文献罗盘”和“磐石·工具调度台”两个科学智能体。 “磐石·文献罗盘”已接入1.7亿篇科技文献与实时开源科技信息，可深度理解包含公式与图表的科学数据。在其支持下，以往需要3至5天才能完成的文献调研工作可缩短至20分钟。 “磐石·工具调度台”可自主规划及调用超过300个科学计算工具，实现工具的协同编排和便捷调用，可自动识别科研任务、智能编排并调度最优工具链，提升科研流程效率，支持用户灵活接入自有智能体与工具，快速搭建专属科研应用。 目前，“磐石·科学基础大模型”已经在多个学科领域进行了深入应用。 在生命科学领域，科研团队构建了X-Cell数字细胞大模型，实现了从基因序列和中心法则到细胞表型的整体建模，推动数字细胞实现靶点发现全流程自动化。 在高能物理领域，北京正负电子对撞机的研究人员，正在实现粒子物理研究任务的自动分解与高效规划，生成覆盖粒子物理工作流各阶段的分析程序，有效提升了粒子模拟速度与重建效率。 在力学研究中，“磐石·科学基础大模型”发挥强大的科学数据理解和预测能力，高效计算高铁模型在多种流体环境下的表面压力场，为高铁构型设计提供了数据支持。 此外，“磐石·科学基础大模型”正帮助科学家在化学合成中提升实验效率，在分子结构预测中实现更加准确的预测结果，在天文观测中实现智能化的全球资源调度与分析等。 在服务真实科学需求的过程中，“磐石·科学基础大模型”将持续迭代，提升实用性与可靠性。

科研人员利用LAMOST望远镜发现两颗新的共生星

近日，中国科学院南京天文光学技术研究所研究员王靓团队联合国家天文台研究员罗阿理等，利用LAMOST第十次数据发布的海量光谱数据和多种测光数据，发现了两颗新的共生星以及12颗仅吸积共生星候选体。这一成果为双星演化研究提供了线索，也为学界探讨共生新星形成机制、Ia型超新星的前身星以及高能X射线源奠定了研究基础。 共生星是由致密星和红巨星组成的双星系统。在这类双星系统中，红巨星通过星风或洛希瓣溢出将自身物质输送给伴星，伴星吸积后形成吸积盘并产生高温辐射。它们的光谱特征因兼含红巨星的分子吸收带与白矮星的强发射线，极具辨识度。目前，共生星研究领域的难点是理论层面认为可能存在几十万颗共生星，但观测层面暂“捕捉”到三四百颗共生星，与理论层面差距显著。 研究人员充分发挥LAMOST大样本光谱数据在证认特殊天体方面的优势，利用DR10光谱中的发射线信息，并根据已知共生星在赫罗图上的分布特征和目视检查方法，最终从上万条光谱中识别出9颗共生星。其中，7颗此前已被学界证实，两颗是新发现的共生星。 共生星数量远低于理论预期，这一差异的原因在于理论模型预期通常较为理想，且大多数共生星吸积率较低，不会在光谱中展现出明显的发射线特征。因此，科研人员难以通过常规光谱特征识别方法找到这类共生星，即仅吸积共生星。对此，研究人员从测光上利用多波段巡天数据，并综合使用GALEX紫外、2MASS近红外、WISE中红外以及多个X射线星表，找到了12个仅吸积共生星候选体。目前，未有光谱可以证实它们是共生星，但从吸积率分布来看，它们与典型共生星高度一致，增加了样本可靠性。 这一研究拓展了已知共生星的样本数量，体现了多波段数据交叉融合在天体识别和分类研究中的优势，为学界深入理解恒星演化等方面奠定了研究基础。随着天文观测迈入“大数据时代”，更多的特殊星体将被发现。 相关研究成果发表在《天体物理学杂志》上。 论文链接 科学家模拟的共生星结构图 LAMOST中两颗新的共生星低分辨率光谱图 已知共生星和新发现的仅吸积共生星候选体的吸积率分布图

研究通过纳米限域结晶构筑高性能呋喃聚酯

当前，开发可再生的生物基材料是替代传统塑料、推动可持续发展的关键路径之一。作为颇具潜力的生物基平台化合物之一，2,5-呋喃二甲酸基聚酯却受困于强度-韧性-阻隔性的“性能三角”权衡难题。 中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研团队在前期聚酯复合材料空间限域组装、分子-界面协同强化、原位催化-复合一体化等成果的基础上，提出了纳米限域结晶策略，来构筑高性能仿生伪矿化聚酯材料。 研究团队通过设计并原位合成的二氧化钛纳米颗粒接枝超大长径比氮化硼纳米片作为层状模板，诱导聚呋喃二甲酸丁二醇酯在二维纳米空间内进行原位受限结晶和取向生长，形成有序“砖-泥”多尺度杂化结构聚酯复合材料（PMP）。 PMP材料拉伸强度达92MPa、模量达3.1GPa，同时保持高于173%的断裂伸长率，氧气阻隔性提升5倍，具备优异的紫外线屏蔽能力。 纳米限域结晶策略解决了生物基呋喃聚酯“强-韧-阻”难以兼得的关键共性科学难题，为生物基塑料替代高性能石油基工程塑料提供了创新范式。 相关研究成果发表在ACS Nano上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金等的支持。 论文链接 基于“纳米限域结晶”构筑的高性能仿生聚酯

月球阿波罗盆地纯斜长岩分布研究取得进展

月球正、背面不对称性是月球研究的重要科学问题。月球早期经历岩浆洋结晶过程，富钙斜长石因密度较低在岩浆洋晚期上浮，形成斜长质原始月壳。早期阿波罗任务获取了月球正面斜长岩样品，但其代表性和空间覆盖范围有限。目前，学界对月球背面斜长岩的系统认识尚不明晰，对月球背面月壳斜长岩样品的研究成为全面认识月球岩浆洋过程和早期演化的关键。2024年6月25日，我国嫦娥六号探测任务从月球背面阿波罗盆地成功返回了1935.3克样品，标志着人类首次成功从月球背面采样并返回地球。然而，阿波罗盆地位于月球南极-艾肯（SPA）盆地东北缘，该区域被大型撞击事件重复挖掘，月壳较薄，地质过程复杂，物质来源多样，为嫦娥六号样品解译带来了挑战。 近日，中国科学院国家空间科学中心研究员刘洋团队联合中国科学院地球化学研究所、美国夏威夷大学等国内外科研机构，在月球阿波罗盆地结晶斜长岩出露、原始月壳保存情况及地质演化方面取得进展。 研究利用Kaguya多波段成像仪提供的可见-近红外光谱数据（空间分辨率为60m/pixel），系统分析了阿波罗盆地内斜长岩的出露情况。研究人员以1.25μm波段的吸收特征作为斜长石识别指标，与来自RELAB光谱数据库、模拟光谱及阿波罗样品的斜长岩光谱进行比对，最终识别出51处具有显著斜长石光谱吸收特征的出露点。同时，其光谱吸收特征表明斜长石含量超过95wt.%，可归类为纯斜长岩。研究显示，这些出露点分布在阿波罗盆地的北缘、南缘、盆底及中央峰环结构上，主要为晚期撞击坑的坑壁和中央峰区域。 嫦娥六号着陆区位于阿波罗盆地南部月海平原区域，周边分布多个含纯斜长岩露头的撞击坑，包括Chaffee S、Borman及多个小型撞击坑。进一步，研究利用溅射物厚度分布模型计算显示，这些斜长岩出露撞击坑的溅射物在嫦娥六号着陆点的覆盖厚度超过10cm，极有可能被嫦娥六号任务采集到。同时，阿波罗盆地还存在多个低钙辉石出露区域，代表着潜在的月幔物质。因此，嫦娥六号返回样品中或同时包含原始月壳和月幔物质，为深入探讨岩浆洋结晶过程、月壳-月幔演化等月球早期历史研究提供了独特的样品。 这一研究在阿波罗盆地系统识别出丰富的纯斜长岩露头，表明经历SPA和阿波罗盆地撞击事件后，该区域的原始月壳成分未被完全移除，且可能被后期撞击坑挖掘出露。同时，该研究弥补了此前对阿波罗盆地区域原始月壳分布认识的不足，为嫦娥六号着陆点附近的地质演化与采样背景提供了重要参考。 相关研究成果以Crystalline Ferroan Anorthosite Identified in the Lunar Apollo Basin为题，发表在JGR: Planets上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院等的支持。 论文链接     （a）以SPA盆地为投影中心的月球数字高程模型；（b）、（c）、（d）分别表示阿波罗盆地区域月壳厚度、影像、MI数据假彩色影像；图（d）中R、G、B通道分别为900nm、1050nm和1250nm吸收深度。 已识别出的51处斜长岩露头的去连续统光谱，根据其地理位置分为四组：（a）北部盆缘，（b）盆底，（c）峰环，（d）南部盆缘。 嫦娥二号CCD图像（左）与MI假彩色影像（右）上展示的5个代表性斜长岩出露点的局部放大图。蓝色点标记富铁斜长岩的出露点，箭头指向北方。

智能味觉系统开发获进展

近日，中国科学院国家纳米科学中心鄢勇团队在基于离子型神经形态器件构筑智能味觉系统方面取得进展。 当前，仿生“类脑计算”是人工智能领域的核心研究方向之一，模拟人体感官的感存算一体化系统是该方向的重要研究课题之一。相比于视觉与触觉感知，仿生味觉感存算一体化系统在环境监测、食品安全、健康监测、疾病诊断以及味觉重构等方面将发挥独特功能。与视觉和触觉不同，味觉感知涉及化学（生物）物质交换，器件工作往往要求液相生理环境，具有更复杂的过程。因此，实现仿生味觉感存算一体极具挑战。 该研究基于层叠的氧化石墨烯薄膜，开发出集传感与计算功能于一体、可在水相中工作的新型纳米离子器件。离子动力学表征与有限元理论模拟研究显示，氧化石墨烯片层中界面吸附-解吸附过程可显著迟滞离子的迁移速度，从而赋予该器件离子传感和忆阻特性。研究利用这一器件的传感功能构建了多种味型的化学样本库，并基于其神经形态计算功能构建了储备池计算网络以模拟人工味觉系统。该系统可实现酸、苦、咸、甜四种基本味型以及咖啡、可乐等复杂风味的准确识别。 在生理环境下，该成果在同一器件中实现了传感与计算双功能，为液体环境中感存算一体的智能味觉的发展奠定了基础。 相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。同时，《自然》（Nature）作了专题报道。研究工作得到国家自然科学基金和山东省自然科学基金等的支持。 论文链接 《自然》报道链接 基于氧化石墨烯的智能味觉系统

萨吾尔山参照冰川的物质平衡变化研究取得进展

在全球气候持续变暖背景下，作为中亚干旱区重要“固体水库”的山地冰川因消融显著增强而快速退缩。位于中国-哈萨克斯坦边境的萨吾尔山冰川，因其独特的“高纬度、低海拔”和受西风带-北冰洋气流共同影响的特点，备受冰川变化研究者的重视。萨吾尔山木斯岛冰川作为该区域唯一系统监测的参照冰川，对其进行现场观测可为深入研究冰川变化过程和机理提供可靠的数据支撑。 中国科学院西北生态环境资源研究院研究团队高精度重建了萨吾尔山木斯岛冰川2000年至2023年物质平衡变化过程，为深入理解冰川变化对气候变化响应的区域特征和预估未来冰川变化及其影响提供了重要数据支撑和研究思路。 研究团队选用全分量分布式能量平衡模型，以2015年来逐年物质平衡实地观测数据和2000年来每5年间隔大地测量法获取的物质平衡变化作为验证，模拟重建了2000年至2023年物质平衡逐年序列，通过误差评估和不确定性分析，明确了研究结果的可靠性。 研究发现，2000年至2023年间，木斯岛冰川年均物质平衡为-0.7731米水当量，累计物质损失达-18.55米水当量。值得注意的是，虽然2000年至2017年间消融持续加剧，但2018年以后出现连续几年物质损失显著低值，2022和2023年又为高值。 能量收支分析显示，净辐射是主要消融驱动力，在消融期和全年分别贡献71%和63%的能量。感热通量次之，贡献为11%至18%。与处于西风带且较为邻近天山等地区的冰川相比，木斯岛冰川物质损失最为显著，但其净辐射值相对较低，夏季温度被证实是影响冰川物质平衡变化的最关键气候因子。 该研究不仅揭示了萨吾尔山冰川的消融机制，更建立了可靠的预测模型，为评估区域水资源变化提供了科学依据。随着气候变化加剧，这类长期监测研究对水资源管理和生态保护具有指导价值。 相关研究成果以Mass balance reconstruction of a reference glacier in central Asia during 2000–2023: Integrating simulationin-situ measurements为题，发表在Advances in Climate Change Research上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院相关项目等的支持。 论文链接 萨吾尔山木斯岛冰川定位观测 2000至2023年木斯岛冰川年物质平衡和累积物质平衡 与西风主导区其他四条监测冰川能量通量和物质平衡对比

科学家首次利用双极膜重水解离实现氘代酸碱低成本制造

近日，中国科学技术大学精准智能化学全国重点实验室教授徐铜文、特任教授汪耀明和教授李震宇团队，在氘代化学品制备领域取得突破性进展。该团队创新性地利用双极膜实现重水（D2O）高效解离，首次揭示了核量子效应导致膜层内氘离子（D+）迁移速率反超氢离子（H+）的现象，颠覆了“重水解离速率慢”的传统认知，并开发出低成本、高效率制备氘代酸和氘代碱新技术。 氘代酸和氘代碱是合成氘代药物、进行氢/氘（H/D）交换反应的关键原料，在OLED等发光材料中具有重要应用前景。当前，氘代酸碱的生产普遍存在工艺复杂多样、反应条件苛刻、产物纯化困难、浓缩能耗高等问题。 该研究以廉价的重水和无机盐为原料，在室温条件下利用双极膜电渗析技术直接高效解离重水，一步生成高浓度的氘代酸和氘代碱，大幅降低了生产成本，有望为下游众多氘代化学品提供经济、优质的氘代酸碱原料。 该研究阐明了双极膜高效解离重水的核心机理。在反向偏压作用下，双极膜中间层离子定向迁出，解离产生的氘离子和氘氧根离子成为氘代酸碱的来源。研究发现，重水体系中更高的氘氧键键能和更低的离子扩散系数共同导致双极膜电渗析膜堆电压显著升高。同时，更高的双极膜极限电流密度和溶液电阻使得重水解离达到稳态所需时间远长于普通水解离。分析表明，重水体系下双极膜中间层解离电阻、膜层传质电阻及扩散边界层电阻均显著高于水体系。在消耗相同电荷量的情况下，氘离子/氘氧根离子的生成速率反而是氢离子/氢氧根离子的1.25倍，这颠覆了关于重水产酸碱速率的固有认知。分子动力学模拟发现，重水更高的粘度和更强的氢键网络增加了阳离子如钾离子的迁移阻力，使其溶剂化壳层更稳定有序；氘离子和质子在膜相内迁移能力存在差异。第一性原理计算证实，膜相内氘离子团簇具有比质子团簇更低的脱水能垒，导致其迁移速率差异近7倍。这表明，离子在膜相内的快速有序扩散强化了双极膜中间层的解离效率。 基于上述原理，研究人员将新技术拓展至多个体系，实现了氘代硫酸、氘代盐酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化钾、氘氧化钠等一系列氘代酸和氘代碱的高效制备。以双极膜重水解离技术为核心的氘代酸碱制备平台，平均生产成本仅为传统工艺的20%左右。整个生产过程无需使用强腐蚀性试剂或重金属催化剂，排放趋近于零，环境友好特性突出。目前，这一技术已完成工程放大，具备年产3吨氘代酸碱的能力，为其工业化大规模生产奠定了基础。 7月9日，相关研究成果以Synthesis of deuterated acidsbases using bipolar membranes为题，在线发表在《自然》（Nature）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项的支持。 双极膜在重水与水体系中解离对比 双极膜重水解离制备多种氘代酸碱及其全流程评价