光子学
Photonics
从散射光中重建彩色图像
Single-shot multispectral imaging through a thin scatterer
人类用眼观察世界，人类认识世界的过程，有80%是通过视觉系统完成的，“见微知著”是人们不懈的追求。在观察更远、更小、更快事物的过程中，人类技术发展衍生出了各种各样的成像系统，光学成像系统就是其一。时至今日，光学成像技术一直在快速的发展当中。然而，一些最基本的问题仍亟待解决，其中之一便是散射问题。
雾里看花，水中望月，光的散射是如此常见，它影响着人们对事物的观察。现如今，人们越来越受到散射所带来问题的困扰。小到长期雾霾天气造成的交通危害，大到陆基天文望远镜受到大气湍流的影响而造成成像畸变分辨率下降，散射使得传统的成像方法所获图像质量下降甚至无法获得图像。然而，光经过散射作用之后，入射光所携带的信息并没有丢失。它们只是在散射过程中进行了重新组合。人们相信，能够利用某种方法从散射光中重组并恢复出原有的信息。
近期，杜克大学开发出一种新方法，可以从经过大部分不透明的材料所产生的散射光中提取彩色图像，该成果已发表在光学顶级期刊Optica上[1]。
下图即为杜克大学研究人员发明的新方法，该方法可以从左上角的彩色原始数字（13024）获取光线，这些数字已被大部分不透明的表面（图中中心位置）散射，并使用其散射之后的散斑图案和编码光圈以五种不同的频率（图中最下行，分别为10/02/30/04/102）重建图像，得到最终重构后的彩色图像（图中右上角数字13024）。
图片来源 | Michael Gehm
提到该方法的优点，杜克大学电气和计算机工程副教授Michael Gehm表示:“其他人已经能够从散射光中重建彩色图像，但这些方法必须牺牲空间分辨率，或者预先要求对散射物体进行表征，而这通常是不可能的。”但我们的方法避免了所有这些问题。
[1] https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-7-864
[2] https://eurekalert.org/pub_releases/2019-07/du-rci0
材料科学
Material Science
《科学》：何种材料会撼动硅基材料的“霸主地位”？
Thermodynamically stabilized β-CsPbI3–based perovskite solar cells with efficiencies >18%
《科学》杂志8月9日的文章显示[1]，新的钙钛矿材料显示出作为硅替代品的早期应用前景。
钙钛矿材料以其高效、低成本的特点在光伏领域得到了广泛的应用。光激发材料中的电子，然后电子就能以电流的形式流动。钙钛矿材料中“舞动”的原子让我们了解太阳能电池的工作原理|图片来源：SLAC National Accelerator Laboratory
硅在太阳能产品中占主导地位——它稳定、便宜，而且在将阳光转化为电能方面效率很高，任何新材料想要撼动硅的“霸主地位”都必须在这些特性基础上进行竞争并取胜。通过一项国际研究合作，上海交通大学、洛桑联邦理工学院 (EPFL) 和冲绳理工学院研究生院(OIST) 发现了一种稳定的新材料，它不仅可以有效地进行光电转换，其他优良的特性甚至可能挑战当前硅的“霸主地位”。
在《科学》杂志上发表的文章中，合作团队展示了材料CsPbI3是如何在一种能够达到高转换效率的新配置中得到稳定的：CsPbI3是一种无机钙钛矿，由于其高效、低成本的特点，在太阳能领域得到了广泛的应用；然而，如何稳定CsPbI3在历史上一直是一个挑战。正如冲绳理工学院研究生院 (OIST) 能源材料和表面科学部门负责人Yabing Qi教授所说[2]：“我们对CsPbI3可以与行业领先的材料（硅）竞争的结果表示很高兴，从这个初步结果来看，我们现在将进一步努力提高材料的稳定性和其应用的商业前景。”
[1] https://science.sciencemag.org/content/365/6453/591
[2] https://www.oist.jp/news-center/press-releases/cracking-solar-cell-stability
医疗健康
Medical Treatment & Health
从77％到94％：阿尔茨海默病的早诊新进步
阿尔茨海默病（俗称老年痴呆），是一种发病进程缓慢、随着时间不断恶化的神经退化性疾病。在许多国家（尤其是发达国家），阿尔茨海默病是最耗费社会资源的一种疾病。据统计，2015年全球大约有2980万人罹患阿尔茨海默病[1]。
目前人们普遍认为β淀粉样蛋白是与该病发展密切相关的生化指标之一。在阿尔茨海默病导致健忘之前，这种蛋白质就已经开始在脊髓液中逐渐累积[2]。虽然识别早期阿尔茨海默病对患者十分重要的，但检测起来并非易事。
阿海海默症中，Tau蛋白异常会造成脑细胞内的微管瓦解 | 图片来源：维基百科
目前的检测手段往往是侵入性的（如腰椎穿刺提取存在于脊髓液中的β淀粉样蛋白），而且成本昂贵。为了能寻找替代传统腰椎穿刺的无痛非侵入式检查方法，国内外的许多科研团队都为此付出了努力。华盛顿大学Rajendra S. Apte课题组曾提出一种基于光学相干层析血管成像 (OCTA) 的无创眼部成像技术，用来分析在阿尔茨海默病临床前甚至在任何症状出现之前视网膜的某些变化[3]。除此之外，IBM澳大利亚团队利用AI算法，仅通过检查血液中四种蛋白质的水平，就能预测β淀粉样蛋白在脊髓液中的含量，准确率高达77%[4]。
近期，华盛顿大学相关团队发表在Neurology杂志上的一项新研究，使得阿尔茨海默病的早期诊断迎来了新进步：该团队同样测量血液中阿尔茨海默症β淀粉样蛋白的水平，来预测该蛋白是否已在大脑中积聚。在研究中，当血液中淀粉样蛋白水平与其他两种主要的阿尔茨海默症风险因素（年龄和APOE4基因变异的出现）相结合时，这种方法使得阿尔茨海默症大脑病变的早期诊断准确率提高到了94%[5]。
科技的进步，使得阿尔茨海默病的早期诊断无论从方式上还是从准确率上都迎来了全新的进步，相信在未来，仅需要通过几滴血液，就可以在早期对阿尔茨海默病的患病风险做出判断。
[1] www.who.int/World Health Organization
[2] https://mp.weixin.qq.com/s/DB2iF1wSLCdmUDINg6NbdQ
[3] www.jamanetwork.com
[4] https://www.zdnet.com/article/ibm-takes-on-alzheimers-disease-with-machine-learning/
[5] https://doi.org/10.1212/WNL.0000000000008081
黑洞物理
Black Hole Physics
黑洞里边有什么？ALMA首次“潜入”黑洞的“势力范围”
ALMA Dives into Black Hole’s ‘Sphere of Influence’
虽然黑洞内部发生的事情仍然留在黑洞内部，但黑洞附近的“势力范围”发生的事情（以黑洞引力作为主导力量的星系中心区域）对天文学家来说仍然是非常感兴趣的，因为这可以帮助探索黑洞本身（如确定黑洞的质量）及其对银河系邻域的影响。
阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 便提供了一个前所未有的近距离观测结果：ALMA观测到了一个围绕超大质量黑洞旋转的冷星际气体盘。这个圆盘位于巨大椭圆星系NGC 3258中心，距地球约1亿光年。根据这些观测结果，由德克萨斯农工大学和加州大学欧文分校的天文学家领导的一个小组确定，这个黑洞重达惊人的22.5亿太阳质量，是迄今为止ALMA测量到的最大黑洞。
ALMA对围绕超大质量黑洞旋转的冷气体进行了最精确的测量。超大质量黑洞是位于巨大椭圆星系NGC 3258中心的庞然大物。图中的多色椭圆反映了围绕黑洞旋转的气体运动，蓝色表示向着我们的运动，红色表示远离我们的运动。插图框表示轨道速度是如何随着距黑洞的距离变化而变化的。天文学家发现，这种物质在离黑洞越近的地方旋转得越快，这使得我们能够准确地计算出它的质量: 这个黑洞重达惊人的22.5亿太阳质量 | 图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Boizelle; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; Hubble Space Telescope (NASA/ESA); Carnegie-Irvine Galaxy Survey
事实上，天文学家曾用各种方法来测量黑洞的质量。在巨大的椭圆星系中，大多数测量来自于对黑洞周围恒星轨道运动的观察，这些观测是在可见光或红外光下进行的。另一种技术是在环绕黑洞旋转的气体云中使用自然产生的水脉泽，它提供了更高的精度，但这些脉泽非常罕见，而且几乎只与拥有较小黑洞的漩涡星系有关。在过去的几年里，ALMA开创了一种新的方法来研究巨型椭圆星系中的黑洞。大约10%的椭圆星系中心都有规律旋转且由稠密冷气体组成的圆盘，这些圆盘含有一氧化碳 (CO) 气体，可以用毫米波射电望远镜观察到。通过利用CO分子发射的多普勒频移，天文学家可以测量绕轨道运行的气体云的速度，使破解轨道速度最高的星系中心成为可能。
加州大学欧文分校的Aaron Barth是这项研究的合作者之一，他说：“我们的团队几年来一直在和ALMA一起观测附近的椭圆星系，以发现和研究围绕巨大黑洞旋转的分子气体盘。”“NGC 3258是我们发现的最好的目标，因为我们能够追踪到比任何其他星系更接近黑洞的圆盘旋转。”就像地球绕太阳公转的速度比冥王星快是因为它经历了更强的引力一样，由于黑洞的引力，NGC 3258的内部区域比外部区域的公转速度快。ALMA的数据显示，该盘的转速从它的外边缘（距黑洞约500光年）的每小时100万公里，上升到离该盘中心（距黑洞仅65光年）的近300万公里每小时。
研究人员通过模拟盘的旋转来确定黑洞的质量，包括星系中心区域恒星的额外质量和其他细节，比如气体盘的轻微弯曲形状等。对快速旋转的清晰探测使研究人员能够以超过1%的精度确定黑洞的质量，即使考虑到不确定性的问题（如到NGC 3258的距离并不十分精确，以及测量中还有12%的系统不确定性等），这项测量结果仍然是目前对银河系外任何黑洞的最精确质量测量之一。
[1] https://public.nrao.edu/news/2019-alma-soi/
资源环境
Resources & Environment
《自然-通讯》：中国科学家洞见净水关键技术
Scientists reveal key insights into emerging water purification technology
全球变暖对人类生活环境和自然资源的影响正成为当下人们最为热议的话题。近期，王艳君、苏布达和姜彤等人针对此问题，就全球气温上升1.5°C和2°C的两种场景下，对中国27座城市（总人口超过2.47亿）的热相关死亡率进行了建模分析[1]。除此之外，水资源短缺更是全球变暖大背景下所面临的一项严峻挑战，科学家和工程师们正在寻求从海水甚至废水等非传统资源中获取纯净水的新方法，其中的一个典型代表，即为科罗拉多州立大学仝铁铮课题组所提出的一种名为膜蒸馏的新兴净水技术[2]。
简单来说，膜蒸馏技术利用到一种薄的疏水膜，该膜在工作时利用了热的海水或者废水（称为“给水”）和冷的纯化水（称为“渗透水”）之间的蒸汽压差。在这个过程中，水蒸气通过薄膜，与含盐或不干净的“给水”分离。仝铁铮表示，膜蒸馏技术比传统的反渗透等技术更有效：反渗透技术不能处理海水淡化或水力压裂产生的采出水等含盐量极高的水。尽管膜蒸馏技术前景光明，但它并不能完美地工作，一个关键的挑战是如何设计一种完美的薄膜实现有效净化水的同时确保净化水的零污染。基于此，仝铁铮等人分析研究了这种完美薄膜设计背后的基础科学，该成果已发表在Nature Communications上[3]。
正如仝铁铮所说：“我们论文中的基础知识提高了对微孔基质中水蒸气输送的力学理解，并有可能指导未来膜蒸馏用膜的设计。”
[1]https://www.nature.com/articles/s41467-019-11283-w
[2]https://engr.source.colostate.edu/scientists-reveal-key-insights-into-emerging-water-purification-technology/
[3] https://www.nature.com/articles/s41467-019-11209-6.pdf
交叉学科
Interdisciplinary
仿生学启发纳米材料：给历史文物补补钙
Calcium: Good for bones, good for cultural conservation
“该补钙了”和“多喝开水”是中国人缓解“病痛”的两剂“良方”，这在文化遗产保护方面同样受用。
文化遗产是历史血脉留给子孙后代的心灵慰藉，文化遗产保护对一个民族至关重要。然而，很多历史建筑历史遗迹，特别是石砌建筑，石膏、大理石雕塑等越来越容易受到空气污染、酸雨等因素的破坏。近日，研究人员发表在ACS Applied Nano Materials上的一篇文章，报道了一种新的钙基保护治疗方法，该方法灵感来源于自然/仿生学，并克服了目前诸多文物保护方法存在的缺点[1]。
纵观历史，文物保护学家在保护文物的过程中大多使用一种称为烷氧基硅烷的物质，这是一种用于加固石头和其他艺术品的硅基分子。然而，利用烷氧基硅烷进行处理的方法不能很好地与非硅酸盐表面结合，这容易造成文物开裂，并且其防水能力有限。虽然在这种保护方法中加入其他化合物能有助于克服上述缺点，但这只是在一定程度上的缓解而无法在根本上解决问题。相反，Encarnacion Ruiz Agudo和他的同事从大自然中寻找灵感，发现钙可能是解决目前这一问题的答案。作为骨骼或肾结石等坚固自然结构的主要成分，研究人员推断，由钙制成的纳米颗粒可以增强烷氧基硅烷的功效，并为历史文物提供所需的保护作用。
因此，研究人员制备了碳酸钙和草酸钙纳米颗粒，并将聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为稳定剂。研究小组将纳米颗粒添加到传统的烷氧基硅烷处理过程中，然后将其应用于三种不同建筑材料的样品：白色大理石、钙质石灰石和石膏上进行测试。总体而言，与单独处理的烷氧基硅烷相比，添加纳米颗粒的烷氧基硅烷疏水性增强，裂纹减少，表面附着力改善，耐酸能力显著提高。虽然也观察到了一定的颜色效应，但研究人员表示，这种变化在文物保护措施的可接受范围之内。
这一仿生学启发的纳米材料告诉大家，是时候给历史文物补补钙了。
编辑 | 陈航
编译 | 陈航
《返朴》，一群大科学家领航的好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁共同出任总编辑，与数十位不同领域一流学者组成的编委会一起，与你共同求索。关注《返朴》参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpusci@163.com。
