第200次-- 科学与技术前沿论坛

主题报告

统计光谱解决 SERS 定量化问题
李志鹏教授首都师范大学

表面增强拉曼散射（SERS）能够在纳米尺度实现分子结构信息的超灵敏/超痕量检测，在生物检测、电化学、催化、环境监测与传感等领域展现出重要应用价值。然而，SERS 涉及复杂的纳米结构-分子-光相互作用，为其定量化研究带来了巨大挑战。当待测物浓度降至nM 以下（甚至低至 pM），SERS 信号的一致性变差。当浓度进一步降至 fM 量级时，SERS 便进入单分子光谱测量范畴——此时单分子光谱的波动特性使得光谱强度与浓度变化无关，传统基于强度的定量方法失去了物理基础。针对这一物理瓶颈，亟需寻找在超低浓度下仍具有浓度响应能力的可观测量。我们将SERS成功概率作为观测参量，提出了一种新的超灵敏 SERS 定量物理原理。实现了 1 fM 浓度下的定量检测。基于 SERS 概率与分子数量关系的泊松统计，实验室上利用双分析物实验确定了 SERS 成功率与光谱平均分子数的关联，揭示了 SERS 成功率的物理微观本质。
青藏高原同位素生态水文学研究：观测采样网络与进展
李宗省研究员中国科学院西北生态环境资源研究院

青藏高原是世界屋脊、亚洲水塔，变化环境下其水塔功能正在发生深刻变化，然后由于大尺度观测难度大和观测数据缺乏，限制了对其生态水文过程及水资源效应的深入研究。为此，应用稳定同位素示踪技术，构建了青藏高原同位素生态水文观测采样网络，积累了 2 万余组水体、土壤、植被等样品，深入开展了祁连山、三江源冰冻圈变化的水文水资源效应研究，为进一步认识青藏高原冰冻圈变化的水资源效应奠定了基础。
亚波长光学结构的光热辐射调控特性研究
马耀光研究员浙江大学

高性能光学超材料对于推进光场调制器件的发展至关重要。当前的三维光学超材料器件面临着适应性差和效率低等挑战，这限制了其应用范围。创新的结构设计能够增强辐射能力，并解决复杂场景下的挑战。在前期辐射制冷织物的研究基础之上，开发了具有动态制冷调节、自清洁、能量收集等功能的新型多功能纺织品。并且，我们在对材料的精细结构进行优化后，进一步实现了高效光热辐射调控的超薄隔热材料，实现了穿越传统保温材料 5 倍以上的隔热保温效果。
原子尺度下电子与声子集体激发的超快动力学研究
盛少祥副教授浙江钱塘基础科学研究院

电子与声子的集体行为及其相互作用在关联材料所展现出的复杂物理现象中扮演着关键角色。在原子尺度下研究电子和声子的动力学过程，对揭示这些现象背后的微观机制至关重要。我们将太赫兹（THz）脉冲与扫描隧道显微镜（STM）结合，实现了对电子与声子集体激发过程的超高时空分辨测量。针尖增强的 THz 泵浦脉冲电场可以在样品和针尖之间诱导超快库仑力作用，激发材料中的相干声学声子；同时超快的电场还能驱动电荷密度波材料中电子的集体运动，产生低能相位模式的集体激发。通过测量 THz 探测脉冲诱导的隧穿电流响应，我们在原子尺度上揭示了晶格与电荷序参量的动态演化过程。本研究结果展示了在原子尺度上对电子和声子进行测量与相干调控，以及研究材料相变动力学过程的可行性，为深入理解和操控关联体系中的非平衡态开辟了新的实验途径。
生物可降解辐射制冷薄膜及其沙漠化治理应用研究
沈礼华教授西安交通大学

生物土壤结皮（Biological Soil Crusts）作为近自然生态修复的核心载体，其生态功能的稳定性在沙漠高温胁迫下受到严重影响，已成为制约其治沙成效的关键瓶颈。针对这一挑战，研究团队开发了一种基于多级孔结构的生物可降解辐射制冷薄膜，旨在实现对 BSCs 表面微环境的光热调控。该薄膜通过盐离子辅助非溶剂诱导相分离法制备，具有独特的海绵状和指状复合孔结构（孔径范围 0.5-10µm），不仅维持了适宜的光合有效光（0.4-0.7µm）透射率，还兼具高效的非光合有效光反射性能以及高的大气透明窗口发射率。在野外沙漠实际实验中，这种多级孔薄膜展现出明显的降温效果，能够有效促进 BSCs 微生物群落在极端沙漠环境中的生长发育与定殖，同时对固定松散沙土颗粒表现出积极的固沙作用。这一研究成果为提升 BSCs 在沙漠生态修复中的应用效能提供了新的技术路径。

第200次：纳米光学与沙漠治理