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The new encryption technique uses light frequencies, i.e. colors, to encode quantum states. In tap-proof quantum communication, only the encoded quantum keys are exchanged between two users, Alice and Bob by Dr. Anahita Khodadad Kashi, Quantum Physicist, Germany

量子密码：当光成为明日数字堡垒牢不可破之锁

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Dr. Anahita Khodadad Kashi and Prof. Dr. Michael Kues demonstrated for the first time entanglement-based quantum key distribution using the frequency degree of freedom to enable scalable quantum networks., Image credit: Dr. Anahita Khodadad Kashi 在量子计算时代，量子光子学如何重塑通信安全之锁 我们正站在一场数字范式转变的临界点。科技进步的滚滚洪流正将我们带入量子时代，一个充满无限希望与严峻挑战的新纪元。量子计算，这个曾经只存在于抽象理论推演中的概念，正迅速演变为触手可及的现实，它有可能彻底颠覆材料科学、人工智能、医学等诸多领域。然而，在这巨大潜能的背后，隐藏着对网络安全的深远威胁——它可能从根本上瓦解我们赖以保护金融系统、个人数据和机密通信的加密方法。 当今的密码安全体系，建立在经典计算机在合理时间内无法破解的数学难题之上。这些精密的算法，保护着从银行交易到国家机密的一切。然而，利用量子力学那看似怪异却威力无穷的定律，量子计算机有潜力轻而易举地瓦解这些防御。曾经作为我们数字盾牌的计算复杂度，如今面临崩塌的风险，敏感数据正暴露在量子解密技术的威胁之下。 为了应对这场迫在眉睫的危机，全球的研究人员正竞相开发量子安全网络——一种利用量子力学基本属性构建的通信系统，其加密方式不仅强大，而且从根本上是不可破解。其中，汉诺威莱布尼茨大学的科学家们走在前列，他们在量子密钥分发（QKD）领域取得了突破性的创新。他们于2025年1月16日在《光：科学与应用》杂志上发表的最新研究，引入了一种先进的频率箱编码技术。这种新颖的方法，用不同光频率编码信息，取代了传统基于偏振的量子加密——类似于利用光的“颜色”来保护数据。 这种看似细微的转变，却释放出巨大的优势。频率箱编码不仅增强了安全性，还简化了硬件要求、降低了成本并提高了可扩展性——这些都是未来部署实际量子网络的关键因素。该方法无需多个光子探测器和复杂的偏振系统，就能实现更高效、更经济的安全通信。这项工作由米歇尔·库斯（Michael Kues）教授指导，是阿娜希塔·霍达达德·卡什（Anahita Khodadad Kashi）博士的研究一部分。 Image source: https://www.nature.com/articles/s41377-024-01696-8 与阿娜希塔·霍达达德·卡什（Anahita Khodadad Kashi）博士的对话 问：您能否介绍一下您的学术旅程以及是什么吸引您投身量子光子学领域？ “Kashi博士回忆道，’量子科学最初吸引我是它提供的反直觉洞见，改变了我们对现实常规认知的能力。作为量子光子学领域的博士研究员，我一直被量子力学在保障日常通信安全方面的变革潜力所吸引。我的研究集中在光子量子信息处理和量子增强安全系统上，专注于利用纠缠——光子之间的非经典、非局域相关性——来实现量子密钥分发协议的可扩展实施。我还研究光子统计学，将理论模型与实验实施相结合，探索如何将研究转化为有意义的应用。我的研究成果已发表在顶级期刊上，并在国际认可的会议上进行过展示。’” 问：量子计算机对传统加密构成了什么样的严重威胁，数据完整性面临哪些危险？“Kashi博士的语气变得坚定：’当今的通信安全依赖于计算上难以处理的数学问题，由于其指数级复杂性和巨大能源需求，经典计算机无法在可行的时间范围内解决这些问题。然而，量子计算机和先进的量子协议大大降低了这种复杂性，对现有的密码防护构成了深刻威胁。危险在哪里？金融系统的数据、医疗记录和敏感的政府机密将在量子解密的力量下暴露无遗。’” 问：是什么启发了您和Michael Kues教授博士探索基于频率箱编码的纠缠量子密钥分发技术？“基于纠缠的量子密钥建立技术有望彻底改变安全通信领域，”Kashi博士深思熟虑地说道，她的言辞中闪烁着无限可能。”然而，这项技术的实际应用仍面临挑战，因为纠缠质量会随距离增加而下降，阻碍了大规模部署。更为棘手的是，随着量子网络规模扩大，硬件成本上升、系统复杂性增加以及安全风险提高等问题都对可扩展性构成了挑战。尽管该领域已取得显著成就，但全球性基于纠缠的量子密钥分发网络仍缺乏可扩展解决方案，这促使我们充分利用频率编码方面的专业知识，展示这一技术在解决可扩展性问题上的潜力。” 问：您能详述频率箱编码及其在增强量子密钥分发安全性方面的作用吗？“Kashi博士解释道，’在光子量子网络中，光子是我们的信息载体。频率——光子的色调——成为编码和处理量子信息的自由度。通过利用频率的多模式特性，我们可以在光子光谱中定义任意（但有限）数量的’频率箱’，利用频率箱之间的纠缠建立量子通道，实现安全密钥交换。关键是，这与尖端电信基础设施相吻合，建立在最先进的技术发展之上。我们的频率箱方法为用户分配多个通道，在不降低安全性的前提下提高密钥交换速率——这与增加激发功率不同，后者必然伴随着更高的错误率。我们开发了一个动态、资源高效的量子密钥分发网络，减少了对多个探测器和基底分析器的需求，通过最小化由暗计数和探测概率不匹配引起的探测侧攻击漏洞，增强了安全性。’” […]

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By KM3NeT, a next-generation neutrino observatory submerged up to 3,500 meters beneath the Mediterranean

深海揭秘：KM3NeT探测到史上最高能量的中微子

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One DU, equipped with 18 DOMs, is rolled up around a spherical structure called the LOM in preparation for installation in the sea. This picture is taken from inside the LOM, capturing the inserted DOMs., Image credit: Patrick Dumas, CNRS 一颗中微子开启理解宇宙极端现象的新窗口 在地中海广阔而深邃的海底，一个静默的观测者正耐心地凝视着宇宙。2023年2月13日，这个观测者——立方千米中微子望远镜（KM3NeT）——捕捉到了一次非凡的宇宙事件：一颗能量惊人的“幽灵粒子”，其能量之高，足以挑战人类对宇宙最剧烈现象的理解。这一事件被命名为KM3-230213A，它所携带的能量高达 220 拍电子伏特（PeV），即220万亿亿电子伏特。经过两年精细的实验数据分析，KM3NeT国际合作团队今日正式宣布了这一划时代的突破，详情刊登于2025年2月12日的《自然》杂志。 这不仅是一项科学成就，更是一场范式转变。科学家们首次获得了如此高能的中微子确实存在于宇宙中的确凿证据。这颗粒子经历了漫长的宇宙旅程，未受干扰，如今抵达地球，为人类提供了难得的机会去窥探宇宙中最剧烈的高能天体物理现象。 Image credit: KM3NeT 来自深渊的宇宙信使中微子，被称为“幽灵粒子”，是宇宙中最神秘的基本粒子之一。它们没有电荷，与物质的相互作用极其微弱，可以毫无阻碍地穿越整个星系，甚至不被浩瀚宇宙的磁场所偏转。正是这种“隐形”的特性，使它们成为宇宙中最纯粹的信使，直接携带着有关它们诞生地的关键信息。 KM3-230213A的故事是关于极限的：极端的距离、极端的能量，以及极端的重要性。它的能量远远超越了人类任何加速器的能力，甚至超过了欧洲大型强子对撞机（LHC）所能产生的最高能量。它的源头或许是超大质量黑洞、伽马射线暴，甚至可能是宇宙早期的遗迹——宇宙起源产生的“宇生中微子”（cosmogenic neutrino）。如果这一猜测得到证实，这将是一场真正的科学革命，提供宇宙中最极端高能物理过程的直接证据。 “KM3NeT已经进入了一个全新的观测范围，在这个能量区间内，中微子可能来自最极端的天体现象。”KM3NeT发言人、法国国家科学研究中心（CNRS）粒子物理研究中心研究员Paschal Coyle解释道。“这是人类首次探测到数百PeV级别的中微子，标志着中微子天文学的新时代。” Image credit:

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Breakthrough Achievement: Quantum and Classical Signals Coexist Scientists successfully demonstrate quantum teleportation through active fiber optic networks, marking a significant step toward practical quantum communications by Dr. Prem Kumar, Director of the Center for Photonic Communication and Computing, Professor of Electrical and Computer Engineering, Northwestern University, USA

互联网通信革命：量子与经典的首次共存

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Dr. Prem Kumar, Director of the Center for Photonic Communication and Computing, Professor of Electrical and Computer Engineering, Northwestern University, Image credit: Northwestern University McCormick School of Engineering 互联网通信革命：量子与经典的首次共存 一项有望重塑未来电信业领域的突破性进展中，美国西北大学的研究人员们成功实现了许多人眼中“不可能完成的任务”：在已承载常规互联网流量的光纤电缆上实现了量子隐形传态。由Prem Kumar教授领衔的这项研究表明，量子通信与经典通信能够在现有基础设施上共存，有望彻底改变未来安全通信的研究方向。 近期，我们有幸采访到了Kumar教授，下文将呈现他对这一复杂领域以及其团队所取得重大突破的深入解读。 经典与量子：两大系统的对比为了让大家更好地理解这项突破的意义，Kumar教授首先从我们日常生活中常见的经验入手，解释了经典通信和量子通信之间的本质区别。 “不妨想象一下我们现在是如何进行经典数据传输——比如我们现在这样跨越大洋进行交流，”Kumar教授解释说，“我的声音先被转换成电信号，然后被数字化成一串0和1的编码，再通过无线信号、光纤等多种渠道传送出去。在你那边，这些数据又被解码还原成声音。从本质上讲，我们就是把比特，也就是0和1，从一个地方传送到另一个地方。” 然而，量子通信的原理则截然不同。它传输的不是一个个比特，而是一个粒子的完整量子态。理论上，我们可以直接传送粒子本身，但通过量子隐形传态技术，我们可以在不移动原粒子的前提下，实现量子态的远距离传输。 在对比经典信息和量子信息时，两者的差异更加明显：“经典信息基本上就是一个二元系统，就像一枚硬币，要么是正面朝上，要么是反面朝上，再比如电信号，要么是高电平，要么是低电平，”Kumar教授指出，“它始终只有一个确定的状态。而量子信息则可以处于一种叫做‘叠加态’的状态，也就是说，一个粒子可以同时处于两种不同的状态。” 为了进一步解释这个概念，Kumar教授打了个生动的比方：“在3D电影院里，你的眼镜的一只镜片只允许水平偏振的光通过，另一只镜片则只允许垂直偏振的光通过。这就是经典的分离。但在量子世界里，一颗单光子可以同时携带这两种偏振态。传输这种完整的叠加态——而不仅仅是‘正面’或‘反面’——这就是我们所说的量子通信。” 量子系统能够同时存在于多种状态之中（著名的薛定谔的猫的思想实验就形象地说明了这一点），这赋予了量子系统独特的能力，也使得量子通信与经典数据传输有着本质的区别。经典通信只能传输比特（0 和 1），而量子通信则能传输粒子的完整量子态，包括所有可能的叠加态。 打破量子壁垒传统观点认为，量子信号（由单光子携带）会被经典数据传输所使用的数百万光子淹没。然而，Kumar教授的团队找到了一个巧妙的解决方案：通过仔细测量光在光纤中的散射方式，他们找到了一个“安静”的波长，使量子信号能够不受干扰地传输。 “我们在测量了拉曼散射光子的分布后，精确地选择了1290纳米这一波长，并在这里创建了量子信道。”Kumar教授解释道。对波长的精准选择至关重要，让量子信号能够与在1550纳米左右的强力经典通信信号共存。 光散射的挑战研究团队面临的主要障碍之一是拉曼散射——当光与光纤中玻璃分子振动相互作用时，会将光散射到不同的波长，从而可能淹没本就微弱的量子信号。 “光纤本质上是一种非常细的导光管，一根固体的玻璃丝。”Kumar教授解释道，“当光在纤芯中传输时，会受到玻璃分子振动的影响。” 为解决这一问题，团队采用了系统而精确的方式。通过对光纤中拉曼散射的测量，他们找到了类比于大气“透明窗口”的波长区间，进而将量子信道选定在1290纳米，而在1550纳米左右则进行经典通信。 纠缠与量子存储器的作用量子隐形传态的核心是纠缠现象——爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。要完成隐形传态，发送者（通常被称作 Alice）和接收者（Bob）事先需要共享纠缠光子对。“它是一种资源，”Kumar教授解释说，每一次的隐形传态都会消耗一对纠缠光子。 挑战在于如何存储这些纠缠态。量子存储器——能保持量子态的装置——仍是一个至关重要的研究领域。目前，各种基于原子、离子或固态系统的方法都展现了潜力，但如何实现高效且寿命长的量子存储器，仍是该领域的一大难题。 技术成就这项实验在同一根光纤同时传输400 Gbps（相当于同时播放约10万部高清电影）的经典数据情况下，成功演示了量子隐形传态。团队在30公里的传输距离上，通过精密的滤波技术，确保量子信号保持完好。 “我们在拉曼散射方面遭遇的干扰水平，与探测器本身的暗计数噪声相当，”Kumar教授解释说。这一突破表明，量子通信或许能直接利用现有的光纤网络，而无需完全重新建设一套新的系统。 理解量子隐形传态不同于将信息转换为电信号、再变成光脉冲的经典通信方式，量子隐形传态依赖的是量子纠缠。这种过程允许一个粒子的量子态即刻反映到另一个粒子上，哪怕二者相隔甚远。 然而，Kumar教授特别强调了一个重要区别：虽然量子态的塌缩可以说是瞬时，但要真正使用这条信息仍需通过经典通信——它受限于光速。“量子态的塌缩虽是瞬时，但若没有经典信息的辅助，就无法加以利用，”他解释道。 安全与应用：现实意义这一发现对安全领域有重大意义。与依赖于数学难度的经典加密不同（未来有可能被更强大的量子计算机破解），量子通信的安全性建立在物理定律之上。“目前的加密系统有被‘先记录后破解’的风险，”Kumar教授指出，“量子通信或许能提供一种更面向未来的安全方案。” 这项技术的潜在应用不仅限于安全通信。它还能实现分布式量子计算：通过量子隐形传态，将不同地点的量子处理器连接起来，从而创建更大规模的量子计算系统，而不需要打造庞大的单体量子处理器。

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A prototype device that converts atmospheric nitrogen into ammonia using wind energy, developed by researchers at Stanford University and King Fahd University of Petroleum and Minerals by Dr. Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science at Stanford University, USA

绿色化学的变革：开创可持续发展新篇章

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Self portrait of Dr. Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science at Stanford University. Image credit: Stanford University 绿色化学的变革：开创可持续发展新篇章 我们赖以呼吸的空气，正酝酿着一场革命性的巨变，其影响不仅限于农业，更将席卷整个化学领域。斯坦福大学与法赫德国王石油矿产大学的科研团队联手打造了一款突破性装置，利用风能捕集大气中的氮气，并将其转化为氨。该创新有望取代已沿用百年却高能耗的哈伯-博施法，为可持续发展树立起新的里程碑。相关研究已刊载于12月13 日的《科学进展》杂志，标志着可持续化学发展迈出了关键一步。 传统上，氨的生产需要在极高的压力和温度下将氮气与氢气结合，而氨是肥料中的关键成分。这一过程消耗了全球约2%的能源，并占年度二氧化碳排放量的1.8%。相比之下，新方法在室温和大气压下运行，无需依赖化石燃料。其结果是一种便携且可扩展的解决方案，可以让农民直接在现场生产氨，从而大幅降低成本并减少对环境的影响。 我们有幸采访了这项突破性研究的资深研究员Richard Zare博士，深入探讨了这项技术的灵感来源、挑战和更广泛的影响。以下问答突出展示了这项创新的变革潜力。 Prof. Chanbasha Basheer, Department of Chemistry, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Image credit: Dr. Richard Zare 化学原理解析问：是什么独特的化学或物理原理使这个装置能够利用大气氮并将其转化为化肥级化合物？答：氮分子(N2)由于其强大的三重键而极其稳定，使其极难分解并转化为植物可利用的形式，如氨或硝酸盐。长期以来，工业界主要依靠哈伯-博施法进行转化，但该方法需要在极高温度和压力下运行，耗能巨大。 最新研发的装置巧妙运用界面化学原理，通过水滴与磁铁矿（Fe3O4）涂层筛网的相互作用来实现氮的转化。当水滴表面出现H+和OH-离子不完全溶剂化现象时，会生成羟基（OH）和原子氢（H）等活性自由基，从而触发大气中的氮转化为氨。值得注意的是，整个过程在常温常压下即可完成，无需额外加热或通电。该创新绿色节能技术仅需风力或鼓风机驱动，不但节能环保，而且具有良好的扩展性，为农业可持续发展开辟了新道路。 该技术的突破点在于采用磁铁矿（Fe3O4）涂层筛网作催化剂。当含水空气流经筛网时，气-水界面在常温常压条件下便能促进反应顺利进行。与传统方法相比，免去了高温高压等苛刻条件，充分体现了其环保、节能和易扩展的特点。一旦实现产业化，必将为可持续农业发展带来重大突破。 意外发现问：在开发过程中是否出现了任何意外的科学现象，导致团队重新调整了最初的方法？答：我们在界面化学领域取得的突破，其意义远不止于合成氨。研究过程中，我们发现该方法在合成多种高价值化合物方面也展现出惊人潜力。一个突出的例子便是成功地将甲烷（CH4）转化为甲醇（CH3OH）。众所周知，甲烷是一种威力强大的温室气体，而甲醇则是一种便于储存、运输和使用的液态产品。这一成果充分彰显了界面化学在应对环境挑战方面的独特优势。 更令人振奋的是，通过向反应体系中引入二氧化碳（CO2），我们还成功合成了重要的肥料品种——尿素（NH2CONH2）。这些意料之外的发现不仅拓宽了微液滴化学的应用边界，更预示着化学品生产方式正迎来一场重大变革，朝着更可持续、更易于规模化的方向迈进。目前，我们正致力于技术优化和放大生产，以期充分释放这项技术在农业和工业领域的巨大潜力。 革新化肥生产：从工厂到田间问：氨的运输优势是什么？ 答：氨作为一种优良的氢载体，在向氢经济转型的过程中，其运输优势尤为突出。尽管氢的储存和运输极具挑战性，但将其转化为氨则提供了一种更易于操作的实用解决方案。 然而，目前通过哈伯-博施法生产氨的方式却伴随着巨大的环境代价。尽管该方法对工业和农业发展至关重要，但其高能耗的生产过程却消耗了全球约 2% 的能源，并排放了全球约 1.8%

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Inspired by desert species, these new Janus crystals efficiently collect water from fog, offering an energy-free solution to water scarcity (Artist's conception)

仿生智能晶体开创节能集水新技术

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Dr. Panče Naumov, Image credit: NYU Abu Dhabi 仿生智能晶体开创节能集水新技术 在干旱地区，获取清洁水源变得日益困难，水资源短缺仍然是全球最紧迫的挑战之一。在一项突破性的研究中，科学家从大自然的集水机制中汲取灵感，特别是从沙漠甲虫和蜥蜴等生物身上得到启发，创造出了一种创新的解决方案。 来自中国吉林大学、美国纽约大学阿布扎比分校智能材料实验室以及纽约大学阿布扎比分校智能工程材料中心的研究团队开发了一种名为“双面晶体”（Janus crystals）的新型晶体材料。这种智能晶体无需能量输入即可从雾气中高效收集水分，模仿了沙漠生物的自然适应机制。 在美国纽约大学阿布扎比分校智能工程材料中心及智能材料实验室的Panče Naumov教授，以及中国吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的张红雨教授的带领下，研究团队成功设计出同时具有亲水和疏水区域的晶体，创造出一种在常温下能够自发运行的精密集水系统。与传统的高能耗海水淡化等制水方法相比，这种创新方法代表着重要进步，为干旱地区的水资源收集提供了潜在的可持续解决方案。研究团队在《美国化学学会志》发表的最新论文中详细介绍了这一研究成果。 Center for Smart Engineering Materials. Image Credit: NYU Abu Dhabi 近期，我们有幸采访了化学教授Panče Naumov博士，深入了解这项卓越的研究： 问：是什么启发了您们开发双面晶体？沙漠生物如何影响了您们的设计？答：我们的项目始于一个基本目标：为获取淡水寻找可持续的解决方案。我们与吉林大学在晶体材料方面的持续合作自然而然地发展到解决这个关键挑战，对中东地区乃至全球意义重大。目前，阿联酋约96%的饮用水依赖海水淡化——一个高能耗过程，使用有问题的膜材料和被称为”永久化学物质”的含氟聚合物，后者在使用后无法降解。 为了摆脱不可持续的方法，我们将目光投向一项尚未充分开发的资源：大气中的水分。我们意识到，使用合适的材料，便可从潮湿的空气中收集水分，无需承担与海水淡化相关的能源成本。 大自然通过沙漠生物的神奇适应性为我们提供了蓝图。例如，纳米比亚沙漠甲虫利用特殊的表面结构从雾中收集饮用水，这种结构结合了吸水和疏水区域。通过研究自然系统，我们开发出模仿生物集水机制的双面晶体，从而创造节能的集水解决方案。研究成果展示了我们如何成功将自然界久经考验的策略转化为工程材料。 问：您能描述构成双面晶体的具体有机化合物和结构吗？能解释一下它们各自是如何赋予晶体亲水和疏水特性，从而实现高效集水？答：双面晶体新概念的核心理念是复制某些沙漠生物体表现出的双面策略。这些生物依靠具有两种不同区域的表面生存——一个容易吸引水（亲水性），另一个排斥水（疏水性）。在我们的合成方法中，需要创造一种能有效模仿这种双重性的单一晶体材料。 为实现这一目标，我们从三种化学性质各异的化合物开始培养有机晶体。我们选择有机材料是因为它们重量轻、非聚合物性质，而且可能具有生物降解性，符合可持续发展的方向。关键步骤是通过硅烷化过程仅对晶体的一面进行疏水涂层处理，而另一面保持原有的天然亲水性。从本质上说，晶体的”双面”特性——以罗马双面神雅努斯命名——源于一面强烈吸引和凝结水蒸气，另一面则沿着疏水表面引导这些凝结的水滴流向收集点。 通过选择不同的有机化合物并应用这种半对半的改性方法，我们证明了这个概念适用于多种化学结构。最终得到了一个多功能、无需能量输入的集水平台，利用自然相变和双面特性高效捕获和输送大气中的水分。 问：您认为多大的晶体对于集水最有效？答：我们进行了广泛的研究，考察了晶体的尺寸、长宽比等因素，以及不同湿度水平和其他条件的影响。我们通常使用长度为几毫米到几厘米的晶体。此尺寸范围使晶体易于操作和处理，对实验工作和潜在的实际应用都至关重要。 这个尺寸范围的晶体往往具有细长的形状和较高的表面积体积比。该构型提供了一个高效集水的关键优势——即单位质量和体积下拥有较大的可用集水表面积。通过优化成分，我们成功制备出不仅轻便易操作，而且集水效率极高的晶体。 问：您能否解释晶体上的亲水和疏水区域是如何协同工作的吗？是什么让您的方法变得”智能”？答：这些晶体采用独特的设计，在细长晶体结构的相对两面分别设置亲水和疏水区域。天然情况下，晶体表面具有较好的亲水性，我们通过在晶体的一半涂覆硅基涂层来创造疏水区域——这个过程可以简单到仅仅将晶体的一半浸入聚合物溶液中。 我们系统特别创新的地方在于它的自感知能力。这些晶体具有光学传导性，能像光波导一样通过全内反射在内部引导光线。通过从晶体一侧照射光线，我们可以实时监测集水过程。晶体-空气界面和晶体-水界面的光反射或散射模式不同，使我们能够追踪水滴何时附着和脱离表面。 我们在各种条件下测试了这个监测系统以确保其可靠性。展望未来，我们计划将这些晶体捆束在一起以增加收集表面积，并同时监测所有晶体。这将通过实时反馈实现水收集过程的自动优化，使我们的晶体成为真正的智能响应技术。 问：这些晶体的生命周期是如何？它们可以无限期使用吗？答：理论上，这些晶体可以无限期使用，因为它们不会溶于水。虽然我们仍需要进行长期寿命研究，但它们的有机成分特性允许持续使用。我们也在探索生物可降解材料的应用可能性——特别是在偏远地区，系统可以在预定时期后自然分解，不会留下有害的环境足迹。 问：与现有的大气集水方法相比，双面晶体的集水效率如何？答：我们的晶体在单位质量和单位面积的集水效率方面都创下了纪录。我们在论文中发表的对比研究显示，只有一种材料——一种聚合物网——的效率接近我们的晶体。然而，我们的晶体采用完全不同的原理，而且不含不可降解的塑料，考虑到目前对聚合物材料的环境担忧，这一点非常重要。论文中详细记录了效率数据，包括收集时间等指标。 Center for Smart Engineering Materials. Image Credit: NYU Abu Dhabi 问：将这项技术扩展到工业规模时，您是否预见到任何挑战？答：从实验室概念转化为完整的工业产品需要经历优化和工程改进阶段。作为化学家，我们提供了初始理念，但机械稳定性、运输过程中的耐久性、抗振性能和实际应用中的稳定表现等工程考量需要由专业人士来解决。我们希望工程师和行业专家能在我们的工作基础上，完善这个概念，最终开发出可靠、高效的大规模应用系统。 问：海水淡化需要大量能源，而您的方法则不需要。您能详细说明使用双面晶体相比传统海水淡化技术有什么优势吗？答：传统海水淡化是在逆转一个自然倾向的过程——盐在水中的溶解——这需要消耗大量能源。无论是加热水进行蒸馏，还是通过压力将水推过膜（反渗透），都存在固有的能源成本。即使尝试使用太阳能，也无法完全抵消这种能耗。 海水淡化还面临其他挑战：膜污染、化学清洗造成的环境足迹，以及高盐度卤水的处理问题。相比之下，我们的双面晶体依靠自然湿度波动工作，不需要外部能源输入。通过避免使用高压系统、加热和有害化学品，我们的方法减少了环境影响、能源消耗和长期生态损害。双面晶体代表着一种比传统海水淡化方法更清洁、更可持续的替代方案。 问：晶体收集的水在饮用前是否需要额外净化？答：凝结过程通过将水从气态转化为液态，自然而然地实现了水的净化，许多杂质会被留在后面。这个原理类似于实验室中通过蒸馏和凝结进行溶剂纯化。我们的目标是通过利用表面特性的组合来增强这个自然过程，实现直接、低能耗地从大气中获取相对纯净的饮用水，而无需额外处理。 问：您能描述一下参与这项研究的机构之间的合作以及其影响吗？答：我们与吉林大学的合作特别富有成效——在过去的四到五年里，我们共同发表了二十多篇论文。这种协同效应，加上我们的国际网络，帮助建立了有机晶体作为一类具有独特性能组合的新型材料的地位。我们研究的重要性通过最近获得美国国防部的资助得到了突显，这对于一个位于中东的实验室来说尤为显著。这样的支持凸显了我们工作的全球相关性和潜在影响力。 问：生产这些晶体需要什么温度条件？需要高温炉吗？答：不需要，这些晶体在室温下通过有机溶剂形成，无需使用炉子或高温条件。这种简单性使它们区别于许多聚合物基材料，后者难以降解并导致微塑料污染。我们的小分子有机晶体对环境无害，并且可能自然分解。现在，随着我们认识到聚合物的弊端并寻求既可持续又实用的替代品，这种方法显得特别有吸引力。

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Illustration showing a novel water treatment reactor that uses bubble cavitation technology to remove PFAS contaminants, developed by researchers at Oxford Brookes University by Dr. Iakovos Tzanakis and Dr. Morteza Ghorbani, Scientists, Oxford Brookes University, UK

破解永久污染：无PFAS（PFAS-Free）净水的曙光

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Self portrait, Image credit: Dr. Iakovos Tzanakis Self portriat, Image credit: Dr. Morteza Ghorbani 破解永久污染：无PFAS（PFAS-Free）净水的曙光 英国牛津布鲁克斯大学的Iakovos Tzanakis教授和Morteza Ghorbani博士在环保领域取得重大突破：开发出能清除水中”永久化学物质”的创新技术。他们利用先进气泡空化技术研发的流体动力反应器，为处理有毒全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染开辟了新途径。这项于2024年6月发表在《化学工程期刊》的研究，为解决全球PFAS水污染危机提供了新方案。 自1930年代起，PFAS就广泛存在于防水服装和不粘锅具等日常用品中，对环境和健康造成持久影响。这类物质不仅与癌症等严重疾病相关，还对传统处理方法具有极强抵抗性。在瑞典哈马比绍斯塔德污水处理厂的初步测试中，该反应器在30分钟内就达到了11种常见PFAS的36%降解率，且无需添加化学物质。 近期，我们采访了这两位科学家：工程材料与空化气泡动力学专家Tzanakis教授和微流体装置专家Ghorbani博士，了解他们如何开发这一创新技术，以及未来推广应用的愿景。 https://www.youtube.com/watch?v=FcZDyGcUg7U&t=1s 问：可以介绍一下您们的背景和目前的研究重点吗？Tzanakis教授：我是牛津布鲁克斯大学的工程材料教授，专门研究空化气泡动力学。我最初的研究集中在改进铝合金结构和开发纳米材料。不过，我现在已经将这些专业知识应用到废水处理领域。我目前的工作重点是利用空化过程去除水中的PFAS化学物质，这代表着我的研究从最初的材料工程转向了环境应用的重要转变。 Ghorbani博士：作为萨班哲大学的副教授和牛津布鲁克斯大学的皇家学会-牛顿学者，我专注于研究微观尺度下的流体动力空化物理现象。我的研究涉及在微流体装置中研究这些过程，并将这些知识应用于各种环境挑战。这不仅包括PFAS降解，还包括处理细菌、药物、微藻和微塑料等其他水污染物。我的目标是将基础物理学与实用的环境解决方案结合起来。 问：什么是PFAS？为什么它会引起重大环境担忧？Tzanakis教授：PFAS，即全氟和多氟烷基物质，是高度氟化的化合物，已成为一个重大的环境挑战。自20世纪50、60年代以来，人类一直在为各种产品制造这些化学物质。然而，科学家后来发现了一个严重的问题：我们能制造它们，却无法分解它们。这种持久性源于其结构中碳和氟原子之间极其牢固的键合。它们被称为”永久化学物质”，因为它们可以在环境中持续存在数百年，而自然界缺乏分解它们的机制。 Ghorbani博士：目前存在超过10,000种不同的PFAS化合物，常见于氟化工业和消防设备中。这些化学物质特别令人担忧，因为它们无处不在于日常用品中——从披萨盒和三明治袋等食品包装到不粘锅具。真正的环境挑战出现在这些产品的生命周期末端。当它们被弃置在垃圾填埋场时，这些化学物质会渗入地下水系统，最终污染我们的饮用水源。这形成了一个亟需打破的恶性污染循环。 Tzanakis教授：令人警惕的是这种污染循环如何自我延续。PFAS通过工业排放、垃圾填埋场渗滤液和日常产品处置等多种途径进入我们的水系统。这就是为什么我们的研究聚焦于通过新的气泡技术开发根本性的解决方案来打破这个循环。 问：您能解释一下气泡空化是如何分解PFAS化合物？Ghorbani博士：空化气泡与我们在沸水中看到的气泡有根本的不同。当空化气泡形成并随后崩溃时，会释放出巨大的能量。这种能量与我们反应器中的各种流动动力学相结合，似乎是瞄准和降解PFAS化合物的关键。 这个过程相当复杂，我们仍在研究其中的具体机制。这些崩溃的气泡会释放不同类型的能量——包括机械和化学效应——我们正在研究哪些具体效应对PFAS降解最为重要。虽然我们继续研究确切的机制，但我们知道气泡能量、流动动力学和工作流体中的其他参数的组合创造了能够分解这些传统上持久性化学物质的条件。 Tzanakis教授：令人兴奋的是，我们的方法利用自然物理过程，而不需要额外的化学处理。然而，理解确切的机制对于优化技术效果和扩大应用范围将至关重要。 问：您能解释一下流体动力反应器的设计因素和技术规格吗？Tzanakis教授：我们的反应器采用可调节的工作原理设计，具有显著的灵活性和优化空间。虽然核心概念保持不变，但我们可以调整各种参数，如材料表面特性、液体动力学和管道网络中的压力变化，以精确控制空化气泡的产生和行为。具体来说，我们的系统运行速度可达到每秒40-50米——约每小时150公里。设想气球（代表气泡）在急速流动的空气（代表废水）中形成：废水高速运动，由于压力差产生气泡。当这些气泡崩溃时，会释放出强烈的效应，促进PFAS的降解。 Ghorbani博士：气泡崩溃产生的巨大能量以各种方式表现——机械效应、化学效应、流动模式、冲击波和自由基。我们特别关注流动模式，因为这些为设计和配置我们的微流体装置提供了关键见解。通过理解和控制这些流动模式，我们可以更好地调节过程中的冲击波和化学方面。这种理解使我们能够优化表面改性和PFAS去除的整体性能，提供一个强大而高效的解决方案。 问：您的反应器与传统的PFAS处理方法相比如何？Ghorbani博士：目前，在处理厂中尚无标准化的工业规模去除PFAS技术。虽然存在一些试点装置，但我们的技术因两个关键原因而脱颖而出。首先，我们不使用任何化学品——仅依靠释放的气泡能量。其次，我们不需要电力等外部能源，因为我们利用污水处理厂管道系统中已有的能量。这些特点使我们的技术特别新颖，优于现有方法。重要的是，这是少数几个可以实际扩大规模的技术之一，因为其他方法在尝试扩大规模时往往面临高昂的成本和能源需求。 Tzanakis教授：这项技术的多功能性特别令人兴奋——它既可以扩大规模，也可以有效地缩小规模。该系统基于经过一些改良的管道网络，结构简单，适应性强。由于它不需要电力，只需要压缩气体来产生压力差，因此在农村地区或无法可靠供电的发展中国家都有潜在的应用。人们可能在家中就地净化井水，使其成为一个真正多功能的解决方案。 问：您在哈马比绍斯塔德工厂的测试中有什么发现？Tzanakis教授：我们针对11种最常见的PFAS类型进行了反应器测试，能够将PFAS浓度降到非常低，在每升5到10纳克之间。作为参考，美国环境保护署将饮用水限值设定为每升4纳克。在仅30分钟的处理后，在所有情况下，我们都将PFAS水平降至这个阈值以下，某些情况甚至降到更低（低于每升1纳克）。总体而言，我们实现了36%的平均降解率，这对该技术来说是非常有希望的结果。 Ghorbani博士：这些测试中有两个重要发现值得注意。首先，我们的技术成功去除了所有类型的PFAS成分——包括长链和短链变体。这很重要，因为大多数现有技术只能有效处理某些特定类型。其次，我们在极低浓度下——约每升1至2纳克——也取得了成功，在某些情况下实现了40-50%的降解率。在如此低的浓度下能达到这样的效果，对实际应用来说特别具有意义。 问：扩大这项技术规模的主要挑战是什么？Tzanakis教授：挑战因规模扩大或缩小而异。在缩小规模时，堵塞成为主要问题，因为较小的通道更容易被阻塞。在扩大规模时，侵蚀是主要挑战——气泡持续崩溃产生的冲击波会随时间逐渐损坏反应器表面。这意味着我们需要专注于材料技术，以确定最耐用和最适合长期运行的材料。 Ghorbani博士：除了技术挑战外，我们最大的障碍之一是获得行业认可。尽管臭氧化或其他高级氧化技术能耗高且成本效率低，但污水处理厂通常更倾向于使用这些传统技术。说服他们采用我们的新方法需要确凿地证明其价值。不过，我们的反应器已证明具有高度适应性——它可以处理从很小到20升的水量，下一步目标是200升，这使得技术扩展相对直接。 Tzanakis教授：还需要考虑经济因素。在最近与英国水务公司的讨论中，我了解到许多公司都在为目前紫外线水处理方法的高能耗而苦恼。他们正在积极寻求新的、更节能的技术。这为我们的系统提供了机会，因为它运行时能耗显著降低，有可能取代这些成本高、耗能大的技术。 问：国际合作在这项技术的开发中发挥了什么作用？Tzanakis教授：国际合作对我们的成功至关重要，为共同的挑战带来了不同的视角。每个合作伙伴都贡献了独特的优势和资源，创造出单独工作无法实现的协同效应。例如，不同国家为项目带来了不同的专业知识和能力，这种组合对实现我们的成果起到了关键作用。 我们的工作合作性质展示了复杂的环境挑战需要全球性的解决方案。我们跨多个国家和机构的合作使我们能够汇集资源、分享知识，并以任何单独团队都无法实现的方式加速发展。我们反应器的成功证明了国际科学合作的力量。 问：您的技术如何与全球减少PFAS污染的倡议保持一致？Ghorbani博士：我们的方法与欧盟委员会的指导方针和指令高度一致。目前，各方正在推动污水处理厂升级其PFAS去除设施。我们预计这些建议很快将成为强制性要求。现在就开始实施和测试新技术至关重要，因为评估和整合过程可能需要几年时间。我们不能等到法规变得更严格才开始测试解决方案——现在就是行动的时候。 Tzanakis教授：我们正面临一个持续70多年的遗留问题。虽然当前的倡议正在正确地关注减少新的PFAS生产，但我们仍需要处理数十亿现有的含PFAS产品和环境中已存在的数万亿PFAS分子。即使有即时的解决方案，清除我们世界中的这些”永久化学物质”也需要多年时间。这使得我们的技术特别具有相关性，因为它为应对这一巨大的环境挑战提供了一种实用的方法。 问：您实现全面应用的时间表是什么？最近的认可如何影响了您的工作？Tzanakis教授：我们对在未来几年内展示我们技术处理大量水体——高达200升——的效果持乐观态度。一旦我们实现这个里程碑，扩展到工业规模应该是可行。我们的研究最近受到全球媒体的关注非常重要，因为这种认可可能有助于获得额外资金来推进我们的工作，实现全面应用。 Ghorbani博士：实施需要全面的方法。虽然有适当的资金和国际联盟支持可以快速推进，但必须同步开发适当的监测系统。我们已经在土耳其、瑞典和英国建立了实施联系，但我们渴望在全球范围内扩展。重要的是，我们的技术不仅在PFAS去除方面显示出前景——在处理其他微污染物、细菌和活性药物成分方面也取得了成功。我们甚至在探索在家用电器中的应用，比如洗衣机，这项技术可以实现水的重复使用。 展望未来，我们设想为不同污染物开发标准化处理方案，尽管每个目标可能需要具体调整。虽然将来可能出现通用的”单一配方”解决方案，但令人鼓舞的是，我们的技术已经证明能同时有效处理PFAS和广泛的其他污染物。这种多功能性，加上不断增长的认可和支持，使我们在更广泛的应用方面处于有利位置。 结论随着全球对PFAS污染的认识不断提高和法规日益严格，牛津布鲁克斯团队的创新为一个持续数十年的环境挑战提供了充满希望的解决方案。他们无化学品、节能的方法有望彻底改变全球水处理方式，为跨世代的环境清理工作提供实用工具。随着技术的持续发展和实施，这项技术可能最终为打破PFAS污染的无尽循环提供途径，让我们离人人享有更清洁、更安全的水源的未来更近一步。 网站：https://cav-it.co.uk/https://www.brookes.ac.uk/profiles/staff/iakovos-tzanakis

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Kuhl’s pipistrelle bats by Dr. Aya Goldshtein, Scientist, Germany

精确定位：揭秘库尔氏蝙蝠的双重导航系统

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Self portrait, Image credit: Dr. Aya Goldshtein 精确定位：揭秘库尔氏蝙蝠的双重导航系统 具有回声定位能力的小蝙蝠，能在漆黑环境中自如穿行，这种神奇本领长期以来令科学界为之着迷。最新研究发现，这些蝙蝠具备”声学认知地图”系统，即使被移至陌生环境，它们也能准确定位自身位置，并单凭回声定位完成远距离飞行。研究团队在以色列胡拉谷对库尔氏蝙蝠的观察表明，虽然这些蝙蝠主要依赖回声定位来导航，但在条件允许的情况下，它们也会借助视觉来提升导航精准度。这项刊登于10月31日《科学》杂志的开创性研究，不仅打破了人们对蝙蝠感知能力的固有认识，更揭示了它们导航机制的多层次性。 该研究团队追踪了76只体重仅六克的库尔氏蝙蝠，并将它们转移到离栖息地三公里范围内的不同位置，观察它们的导航能力。每只蝙蝠都配备了一个轻型反向GPS追踪系统（ATLAS），用于实时收集高精度的活动数据。即便仅依靠回声定位，95%的蝙蝠能在几分钟内找到返回栖息地的路径。研究还发现，当蝙蝠同时运用视觉时，它们的导航能力会进一步提升，展现出惊人的感知适应性。通过详细观察和谷地的3D模型分析，研究发现蝙蝠倾向于在提供更丰富声学信息的环境特征附近飞行——即具有较高”回声熵”的区域，借此确定方位并作出准确的导航判断。 我们有幸采访了来自马克斯·普朗克动物行为研究所和康斯坦茨大学卓越集群集体行为高等研究中心的核心研究员戈德施泰因博士（Dr. Aya Goldshtein）。在访谈中，戈德施泰因博士详细阐述了研究方法、发现的重要意义，以及这些发现如何加深了我们对蝙蝠导航和认知地图的理解。她的见解突显了蝙蝠非凡的导航能力，以及它们如何巧妙地整合多种感官信息来穿行环境。 Kuhl’s pipistrelle bats, Image credit: Jens Rydell 问：是什么样的学术经历让你投身蝙蝠导航研究？答：我在特拉维夫大学完成了动物学博士学位，研究重点是蝙蝠的觅食和导航行为。目前，我正在马克斯·普朗克动物行为研究所和康斯坦茨大学进行博士后研究，在由伊恩·库辛（Iain Couzin）领导的集体行为部门工作。这项研究是我们研究所与特拉维夫大学的约西·约维尔（Yossi Yovel）和陈星（Xing Chen）合作的成果。希伯来大学的兰·纳坦（Ran Nathan）和特拉维夫大学的西凡·托莱多（Sivan Toledo）也为我们所使用的ATLAS系统的开发做出了重要贡献。追踪这些每只仅重约六克的小蝙蝠确实具有挑战性，而各方的通力合作对于克服这些障碍起到了不可或缺的作用。 问：你能解释一下蝙蝠是如何建立它们的”声学认知地图”？它们需要多少次访问一个地点才能构建这种环境心理地图？答：声学认知地图与视觉地图有着根本的差异，这主要源于两种感知方式所依赖的感知范围不同。蝙蝠的视觉感知范围可达约两公里，但它们的回声定位范围仅限于几十米。举例来说，探测到一座山可能仅能在约30米的距离内实现——具体取决于物种和它们回声定位声波的频率。这种感知范围的差异显著影响了蝙蝠构建内部地图的方式。 视觉地图允许动物在不实地访问每个地点的情况下，识别远处的标志物，就像人类能从远处定位一家杂货店一样。然而，声学地图的建立则要求蝙蝠必须亲自探索各个区域，才能构建完整的环境地图。我们推测，蝙蝠需要事先访问过某个地点，才能在之后通过回声定位重新识别该地点，但目前我们尚不清楚需要多少次访问才足以收集必要的信息。这就是为什么我们特意将蝙蝠释放在其活动范围三公里以内的原因。在这个熟悉的区域内，蝙蝠能够有效地确定方位。但在其已知范围之外，如果没有亲自访问和通过回声定位绘制这些空间的地图，它们可能缺乏在陌生区域导航所需的声学认知地图。 问：是什么启发你研究蝙蝠是否使用认知地图进行导航？你最初的假设是什么？答：在我的博士研究期间，我发现埃及果蝠——体型明显大于库氏伟氏蝠——主要依靠视觉进行导航，利用我们所说的视觉认知地图来找寻方向。这一发现促使我开始探索在更受限制的条件下的导航行为，特别是使用回声定位的情况。一只动物能够仅凭如此有限的感知方式横跨大距离，这个想法令我着迷，也成为了这项研究的动力。 随着我对这个课题研究的深入，我越发对蝙蝠如何在完全黑暗中成功导航，甚至跨越可能的巨大距离产生了浓厚的兴趣。关于蝙蝠导航，特别是在更大尺度上的导航行为，仍有许多有待探索的领域。随着时间推移，像更小型的GPS设备等技术进步，使研究人员能够更密切地追踪蝙蝠，收集它们的导航和觅食行为数据。这些不断增长的信息持续揭示着蝙蝠导航的非凡之处，有时甚至会带来意想不到的发现。 问：在你的研究中，发现库尔氏蝙蝠同时使用视觉和回声定位。这是一个出乎意料的发现吗？这个发现如何改变了我们对蝙蝠导航的认识？答：发现这些蝙蝠除了回声定位外还使用视觉确实出乎意料。最初，考虑到它们相对较小的眼睛，我们推测回声定位会是它们主要的导航方式。发现视觉在它们的导航中也发挥作用着实让我们惊讶。 回声定位过程中，蝙蝠会发出声音——主要通过嘴部，但有些物种使用鼻子——并通过解读回声来判断物体的距离、大小和质地。这个过程帮助它们进行导航和捕猎，无论是捕捉昆虫还是避开树木和山脉等障碍物。它们的回声定位声波频率和模式会根据活动类型而变化。在追捕猎物时，蝙蝠会更频繁地发出更高频率的声波，以获得移动目标的详细”图像”。而在日常飞行避免碰撞时，它们的声波发出频率则较低。 这些高频声波通常人类无法听到，但研究人员可以使用特殊设备将频率转换到可听范围内，从而定位和监测蝙蝠种群。发现蝙蝠还能依赖视觉，加深了我们对它们适应能力的理解，表明它们的导航能力比此前认为的更为复杂精妙。 问：你能详细介绍一下在胡拉谷进行的实地实验吗？将蝙蝠转移到三公里半径范围内如何帮助展示它们的导航能力？答：胡拉谷主要是农业区，提供了开阔的景观，包括农田、树木线、沼泽和河流等独特特征。这些多样的地标可能都充当着蝙蝠的导航参照物。在我们的研究中，我们将蝙蝠转移到离它们栖息地三公里半径范围内的不同地点后进行追踪，确保它们仍在已知的活动范围内。这种受控的位置转移让我们能够观察蝙蝠是否能利用现有的环境线索返回栖息地。 谷地的开阔田野和较少的障碍物有助于我们使用ATLAS系统精确追踪它们的飞行路径。这种实验设置帮助我们证实蝙蝠能有效识别特定地标，并利用这些特征来确定方位，在几公里范围内成功返回家园。通过将它们保持在已知范围内，我们确认了蝙蝠依赖环境线索进行导航，而这些线索构成了它们声学认知地图的一部分。 https://www.youtube.com/watch?v=XbbWn5C5xzA&t=2s 问：ATLAS 追踪系统是如何运作，是什么让它特别适合这项研究？ 答：在使用ATLAS追踪系统时，我们为每只蝙蝠都安装了一个微型轻质无线电发射器，而安装在胡拉谷周边的接收器，通常位于山顶等高地，可以检测这些信号。由于库尔氏蝙蝠通常活动在谷内，只要它们保持在范围内，接收器网络就能实时追踪它们的移动。 ATLAS设备的轻量化特性确保不会影响蝙蝠的自然飞行行为，这使它成为研究蝙蝠导航的理想工具。此外，ATLAS提供的精确位置信息与GPS设备的分辨率相当，这对于详细分析蝙蝠的飞行路径和导航策略至关重要。胡拉谷开阔的地形也有助于系统的有效运作，因为它最大限度地减少了可能干扰追踪信号的干扰。 这种方法，结合蝙蝠的移动模式和谷地的独特特征，使研究人员能够验证蝙蝠是否在其栖息环境中使用声学认知地图。 问：研究显示蝙蝠倾向于在具有较高”回声熵”的环境特征附近飞行。你能解释一下什么是”回声熵”，它如何影响蝙蝠的导航选择？什么是”更丰富的声学信息”的例子？答：回声熵是一个用来描述蝙蝠在使用回声定位时接收到的回声复杂度的指标。我们创建了胡拉谷的3D模型，并通过回声定位模拟来确定蝙蝠如何感知周围环境。简单或均匀的环境，比如平坦的农田，产生的回声相对一致，导致较低的回声熵。相比之下，具有多样特征的复杂环境——如树木、山脉或沼泽——会产生更多变和复杂的回声，形成较高的回声熵。 蝙蝠似乎更喜欢这些具有更丰富声学信息的区域，因为它们能提供更详细的环境线索。例如，一棵特别大的树木与较小的树木或开阔地相比，会产生不同的声音反射，从而形成一个明显的声学标志物。通过在产生复杂回声的特征物附近导航，蝙蝠能更好地确定自己的位置并找到返回家园的路。 本质上，这些不同标志物产生的回声模式变化使蝙蝠能够构建和完善它们的声学认知地图，辅助导航。 问：你是如何发现蝙蝠也依赖视觉进行导航？答：为了研究视觉的作用，我们进行了一项实验，暂时遮住一些蝙蝠的眼睛。通过比较被遮住眼睛的蝙蝠与能够看见的蝙蝠的导航表现，我们发现两组蝙蝠都能够完成导航，但保持视觉的蝙蝠导航速度要快得多。 这表明，虽然蝙蝠可以仅依靠回声定位找到方向，但视觉能力显著提高了它们的导航效率。不过，需要注意的是，蝙蝠是夜行动物，经常在月光很少或没有月光的条件下飞行。在这些时候，它们不能仅仅依赖视觉，必须使用回声定位和其他感官来导航。 发现蝙蝠在可能的情况下会使用视觉，凸显了它们感知适应能力的多样性以及导航策略的复杂性。 问：当你观察蝙蝠的飞行模式时，你如何解释从蜿蜒飞行到定向飞行的转变？这对它们的空间感知能力说明了什么？答：我们观察到，当蝙蝠对自己的位置不确定时，最初会采取曲折或搜索式的飞行。在这个阶段，它们会在具有较高回声熵的环境特征附近飞行，以收集更详细的声学信息，有效扫描周围环境中的独特线索。例如，一只蝙蝠可能开始沿着农田飞行，然后转向并飞回到更复杂的区域，比如道路或树林，以获得更丰富的回声。这种行为表明蝙蝠在主动尝试确定自己的位置。 一旦它们认出自己的位置，就会转向更直接的飞行路径，笔直朝目的地飞去。这种从曲折到定向飞行的转变表明，蝙蝠具有类似于声学认知地图的空间感知能力。通过回声定位，它们似乎能够拼凑出自己在谷地中的位置，并确定到栖息地的方向和距离。 这种理解意味着它们拥有环境的心理表征，而不是仅仅依靠简单的导航策略，如跟随固定路线或直接朝向可见的地标飞行。一旦使用各种声学线索确定了位置，蝙蝠就能直接导航回家，即使在完全黑暗的环境中也能做到，这展示了它们空间感知能力的精密性，以及声学认知地图在指导其飞行模式中发挥的关键作用。 问：风雨会影响或增加蝙蝠飞行和导航的难度吗？答：风和雨确实会显著影响蝙蝠的飞行和导航决策。如果蝙蝠活动时遇到强风，它们可能会改变常规的飞行路线，比如沿着树线寻求庇护以避开阵风。 关于雨对蝙蝠的影响，特别是对回声定位的影响，我们了解得较少。我们知道一些蝙蝠物种在下雨时会推迟离开栖息地，可能是因为降雨干扰了它们使用回声定位进行导航或捕猎的能力。 极强的风也可能对蝙蝠造成危险，甚至致命。在某些情况下，已经观察到意外的阵风会对蝙蝠造成重大伤害。虽然蝙蝠具有适应能力，但风雨等环境条件可能会使它们的飞行变得复杂，并可能影响它们的导航策略和整体生存。 问：用于寻路的回声定位和用于捕猎的回声定位有什么区别？答：寻路和捕猎的回声定位服务于不同目的，使用不同的模式。当蝙蝠使用回声定位进行导航时，它们会发出更响亮、更长的声波，频率较低，声波之间的间隔也更长。 相比之下，在捕猎时，蝙蝠会切换到一种更密集的模式——它们使用较弱和较短的高频信号，声波之间的间隔非常短。蝙蝠需要快速处理从昆虫身上反弹回来的回声来确定其位置。这是一项更具挑战性的任务，因为猎物明显更小且移动性强，即使有着精密的捕猎回声定位系统，蝙蝠也不是每次都能成功捕获猎物。

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New research reveals regular patterns in three-body gravitational interactions, challenging traditional views of purely chaotic behavior.

宇宙的隐藏规律：三体问题研究新解

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Self portrait, Image credit: Dr. Alessandro Alberto Trani 宇宙的隐藏规律：三体问题研究新解 几个世纪以来，三体问题一直困扰著数学家和物理学家，它描述了太空中三个质量体之间看似不可预测的引力互动。传统上，由于其混乱本质，这个问题被认为无法求解。然而，这个天体之谜如今正在被重新审视。来自哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的亚历山德罗·阿尔贝托·特拉尼博士（Dr. Alessandro Alberto Trani）的突破性研究揭示，这些互动实际上展现出令人惊讶的规律性，挑战了人们长期以来对宇宙混沌的既有认知。他的研究最近发表在《天文学与天体物理学》期刊上。 近期，我们有幸采访了特拉尼博士。在交谈中，他分享了对这个复杂的天体三体问题的最新研究与见解。他的研究在天体运行的混沌中发现了「规律性孤岛」，表明这些运动结果并非完全随机，而往往可以根据初始条件（如位置、速度和接近角度）进行可预测的推算。 让我们一同深入探讨特拉尼博士的革命性研究，了解这一发现如何增进我们理解引力波和塑造宇宙的基本力量。以下是我们与亚历山德罗·阿尔贝托·特拉尼博士的专访内容。 This map, created from millions of simulations, shows ‘isles of regularity’ within three-body interactions. Image credit: Alessandro Alberto Trani 问：您能解释一下三体问题在传统数学和理论物理学中的理解，以及为什么它被认为是无解的吗？答：三体问题是一个历史悠久的课题，最早可追溯到牛顿时代，此后众多物理学、天文学和天体物理学的奠基人物都对此进行过探索。这个概念始于牛顿成功解决的二体问题，也就是描述两个天体之间的引力互动。二体问题被视为一个完全可预测系统，意味着我们能找到精确的解析解。只要知道两个天体的初始位置和速度，我们就能精确预测它们未来的运动轨迹。 然而，三体问题本质上完全不同，它是不可解系统。科学家最初对三体问题的深入研究是为了理解月球运动，因为地球、月球和太阳构成了一个三体系统——这是离我们最近的三体系统范例。早期科学家发现他们无法准确预测月球的轨道，特别是其岁差、章动和近地点（月球轨道中最接近地球的点）的推进。 庞加莱（Henri Poincaré）在十九世纪末发现，三体问题呈现出混沌行为。他的研究表明，初始条件的微小差异会导致截然不同的结果，使得长期预测变得不可能。自庞加莱的发现以来，研究人员一直依靠数值方法——电脑模拟——来研究这个问题，因为无法获得解析解。 近年来，我们开始使用统计方法来应对三体问题固有的混沌特性。透过将系统作为统计对象进行处理，我们希望能基于概率而非精确解来预测结果。在我最近的研究之前，人们普遍认为三体问题完全是混沌，我们使用统计理论利用这种混沌来预测相互作用的结果。 然而，我的研究表明，三体问题并非纯粹是混沌；它实际上是混沌与规律性的混合体。这意味著在混沌之中，系统有些区域是可预测。这一发现使我们对三体问题的理解变得更加复杂，并且挑战了单纯统计方法的有效性，因为规律性的存在影响了我们进行准确预测的能力。这表明我们需要发展新的方法，以同时考虑三体问题中混沌和规律性的层面。 问：最初是什么吸引您研究这个复杂的问题？它与您更广泛的研究兴趣有何关联？答：好奇心是驱使我研究这个复杂问题的主要动力。作为一名天体物理学家而非数学家，我是从天体物理学的角度来探讨这个问题。我的目标是理解三体互动，以及如何运用它来解决天体物理学的问题。 举例来说，就像早期科学家运用三体问题来理解地球和太阳对月球运动的影响一样，我们将其应用于黑洞和引力波的研究。在过去十年间，我们开始在地球上探测到引力波，这为我们开启了认识宇宙的新视窗。然而，我们仍未完全理解这些引力波的来源。 一种可能的解释是，这些引力波来自大质量恒星残骸——黑洞的相遇。当黑洞相遇时，会释放引力波能量，最终合并。我们可以用地球上的仪器探测到这些事件。我们知道这种三体互动很可能发生在被称为星团的巨大恒星集合体的中心。这些星团遍布宇宙各处，而它们的演化深受其核心区域三体互动的影响。 虽然我们无法直接观察黑洞之间的互动——毕竟它们不发光（它们是黑色的），但我们可以研究它们产生的引力波。对三体问题的理解帮助我们解读这些引力波，并深入了解星团内部的动力学特性。这项研究将我对天体物理学的兴趣与三体问题所带来的基本挑战巧妙地联系在一起。 问：您的研究表明在三体互动的混沌中存在著「规律性孤岛」。您能描述一下这是什么，以及它如何挑战了人们对三体问题的传统认知？答：当然可以！传统上，三体问题被认为是完全混沌，这意味著由于对初始条件极度敏感，预测三个天体在引力作用下的长期行为几乎是不可能。初始状态的微小差异可能导致截然不同的结果，使得系统变得不可预测。 然而，我的研究发现了在这片混沌景象中存在著我们称之为「规律性孤岛」的区域。这些是在可能的初始条件图谱中，系统表现出可预测、规律性行为的区域。为了帮助理解这一点，您可以想像一张图表，其中每个点代表三个天体的特定初始构型，每个点的颜色则基于互动的结果——例如，哪个天体最终会被抛出系统。 在一个纯粹的混沌系统中，所有点的颜色应该都是随机的，呈现出三种颜色的混杂状态——因为即使是非常接近的初始构型也会导致不同的结果。然而，我们观察到四个大型的、颜色分明的区域——以蓝色和绿色表示——在混沌的背景中清晰可见。在这些「规律性孤岛」中，即使我们改变初始构型，最终结果始终保持不变。 这些「孤岛」对应著三体系统快速分离的情况，其中一个天体被迅速抛出。由于互动时间很短，混沌行为没有足够的时间发展，因此结果是可预测。 这一发现挑战了传统认知，证明三体问题并非纯粹的混沌；相反，它呈现出混沌与规律性的混合状态。这些规律区域的存在意味著，在某些特定的初始条件下，我们可以更有把握地预测三体互动的结果。 让我们用太阳系来作为参照。虽然太阳系是一个包含许多天体的复杂系统，但它在长期内相对稳定。例如，地球-月球-太阳系统并不表现出典型三体问题中的混沌特性，因为月球一直保持在环绕地球的稳定轨道上。如果我们显著改变月球的轨道——比如给它一个额外的推力——它可能变得不稳定，潜在地导致混沌行为，月球最终可能摆脱地球的引力束缚。这就类似于三体问题中研究的不稳定情况。 总的来说，「规律性孤岛」揭示了在特定条件下，三体问题中确实存在可预测性。这一发现不仅挑战了长期以来的假设，也提升了我们在天体物理学中对复杂引力互动的建模和理解能力。 问：初始位置、速度和接近角度如何影响这些可预测的模式？答：在三体互动的「规律性孤岛」中，初始位置、速度和接近角度在影响可预测模式方面扮演著关键角色。我们知道这些初始条件与系统的最终结果之间存在著精确的对应关系。这意味著特定的起始构型会导致特定的结果，尤其是在这些规律区域内。 然而，我们尚未完全确定这种精确对应关系的具体样貌。虽然我们认识到在这些规律性孤岛中存在著明确的联系，但目前我们还缺乏一个全面的理论来解释和预测基于初始条件的结果。相比之下，对于混沌区域——「混沌之海」——我们可以通过统计方法在大量模拟中有效地预测结果。 「规律性孤岛」的挑战在于它们并不完全符合统计分析；它们的可预测性既不是随机，但也未被完全理解。克服这一障碍的一个潜在方法是使用机器学习和人工智能来预测这些区域及其结果。人工智能可能帮助识别传统方法无法立即发现的模式和对应关系。 然而，作为天体物理学家，我们的目标是开发可以理解和诠释的物理模型。虽然人工智能可以提供预测，但它可能无法提供我们所寻求的基本物理洞见。我们的目标是建立一个基于物理学的理论，解释初始条件如何在这些规律区域中导致特定结果，从而增进我们对三体互动的整体理解。

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University of Cambridge scientists discovered that hibiscus flowers develop early petal patterns that create bullseyes to attract bees. Larger bullseyes enhance bee foraging efficiency, providing insights into plant evolution and potential impacts on biodiversity by Dr. Edwige Moyroud, Biologist, Geneticist, UK

大自然的隐藏艺术：揭示花卉图案的秘密蓝图

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Self portrait, Image credit: Dr. Edwige Moyroud, University of Cambridge. 大自然的隐藏艺术：揭示花卉图案的秘密蓝图 发表于《科学进展》杂志的一项开创性研究中，剑桥大学桑斯伯里实验室（University of Cambridge’s Sainsbury Laboratory）的科学家们在植物生物学领域取得了一项重大发现。由艾德维格·莫伊鲁德博士（Dr. Edwige Moyroud）领导的研究团队发现了一种不可见的”预模式”，这种模式塑造了芙蓉花瓣上标志性的靶心设计。这一发现揭示了自然界中相当于”数字填色”系统的存在，该系统在任何可见颜色出现之前就已经开始活跃，为我们深入了解复杂的花卉图案形成过程提供了新的见解。 研究表明，这些早期发育蓝图在吸引授粉者，特别是蜜蜂方面起着至关重要的作用。令人惊讶的是，蜜蜂明显偏好较大的靶心图案，它们在具有更大图案的花朵间移动的速度快25%。这一发现凸显了植物进化与授粉者行为之间微妙的相互作用。通过比较不同的芙蓉花种类，包括濒危的小靶心芙蓉（芙蓉理查森尼）（Hibiscus richardsonii）和更常见的中等大小靶心芙蓉（三裂叶芙蓉）（Hibiscus trionum），科学家们揭示了这些早期微妙的图案如何能产生深远的生态影响。 这项研究不仅推进了我们对花卉如何发展其复杂图案的理解，还为探索生物多样性和植物-授粉者关系开辟了新的途径。从这项研究中获得的见解可能对保护工作产生巨大价值，潜在地为保护濒危植物物种及其授粉者提供新的策略。随着我们深入探讨莫伊鲁德博士的研究工作，我们将探索这些大自然的微观杰作如何塑造了丰富多彩的花卉世界以及依赖它们的生物。 Color map showing the cell area across the adaxial epidermis (top surface) of Hibiscus trionum petals during early development. The petal’s pre-pattern emerges early, before any visible coloration, when the petal is just

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Rhizobial nitrogen-fixing symbionts (fluorescently labeled in orange and green using genetic probes) residing within diatoms collected from the tropical North Atlantic. The diatom's nucleus is highlighted in bright blue by Mertcan Esti/Max Planck Institute for Marine Microbiology, Bremen, Germany

揭示新的海洋共生关系：根瘤菌与硅藻合作固氮并促进海洋生产力

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Self portrait, Image credit: Max Planck Institute for Marine Microbiology, Bremen, Germany 揭示新的海洋共生关系：根瘤菌与硅藻合作固氮并促进海洋生产力 在一项突破性的发现中，科学家们揭示了传统上以豆科植物中固氮共生作用而闻名的类根瘤菌细菌（Ca. Tectiglobus diatomicola），也能与海洋硅藻形成合作关系以固氮。这一发现由来自马克斯·普朗克海洋微生物研究所、阿尔弗雷德·魏格纳研究所和维也纳大学的研究人员在最近的《自然》杂志中作了详细说明。此研究不但解决了一个长期存在的海洋之谜，并为理解海洋氮循环开辟了新途径。除了海洋生物学之外，这一发现还为革命性的农业技术和进化研究提供了希望，突显了这些细菌在海洋生产力和二氧化碳吸收中的关键作用。 氮是生命的基本组成部分，对于陆地作物和海洋植物的生长都是必不可少，而这些植物在地球氧气的生产中起着重要作用。虽然陆地上的豆科植物早已被人们熟知根瘤菌能将大气中的氮转化为可用形式，但海洋中的固氮机制却一直不太为人所知。发现根瘤菌也能与海洋硅藻共生并进行固氮，不仅增强了我们对海洋生态系统的理解，还弥合了陆地和海洋氮循环之间的一个重要知识差距。 这一新型共生关系具有深远的影响。类根瘤菌固氮并与硅藻交换碳的能力，使它们成为海洋固氮的关键角色，尤其是在其他固氮生物稀缺的区域。这一发现揭示了海洋生态系统的复杂性，并暗示了未来在农业领域的潜在应用。这些海洋共生体的进化特征有朝一日可能被用来培育固氮植物，从而彻底改变作物生产和可持续性。鉴于这些令人振奋的发现，我们有机会采访了该研究的主要科学家之一维布克·莫尔（Wiebke Mohr），深入探讨这项研究的意义。 The two research vessels, R/V Meteor and R/V Maria S. Merian, crossing paths multiple times during the expedition. Image credit: Max Planck Institute for Marine Microbiology, Bremen, Germany / Wiebke Mohr 问：能否带我们回顾一下这项研究的初期阶段？是什么促使你探索硅藻与类根瘤菌之间可能存在的共生关系？答：从全球的角度来看，海洋中的固氮微生物与陆地上的同类生物在生产力方面同样重要。海洋的固氮过程对于维持海洋生产力至关重要，因为就像在陆地上一样，海洋通过各种过程不断失去氮。为了维持生产力，必须补充氮，而固氮微生物在其中起到了关键作用。 之前，我们认为海洋中的大部分固氮作用是由一种叫做蓝藻的光合生物所完成。然而，在海洋的广大区域中，蓝藻的数量不足以解释测得的固氮量。这使得许多科学家猜测，可能有非蓝藻的微生物负责那些“缺失”的固氮作用。 大约25年前，我们知道这些生物存在于海洋中，但只能够通过编码固氮酶的基因片段来识别它们，却不能确定它们的真实身份。这些基因可以在细菌之间转移，因此仅凭基因很难确定生物的身份。在此之前，我们发现唯一能够在全球或区域范围内积极参与固氮的生物，要么是自由生活的蓝藻，要么是与其他生物共生的蓝藻。 我们对确定这些负责固氮过程生物的兴趣，源于了解这些微生物分布的区域以及它们在某些区域活跃的原因。这些知识可以帮助我们预测在未来，尤其是在面对气候变化的挑战时，固氮作用可能会发生怎样的变化。识别参与这一过程的具体生物是理解这些潜在变化的关键，使得这项研究既重要又充满吸引力。 问：你能否描述一下2020年在北大西洋的探险，并解释一下你们是如何发现矽藻和类根瘤菌之间的共生关系？答：2020年，我的团队和我从不来梅出发前往热带北大西洋，参与了一次由两艘德国研究船组成的探险。我们从该地区收集了数百升海水，以识别和量化这些神秘固氮生物的重要性。

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