新闻及香港科大故事

氯二甲酚是一种在全球广泛应用的消毒剂，然而由于其相对较高的化学稳定性，加上被大规模使用，已证实对水中的生态系统构成了威胁。 香港科技大学（科大）工学院近日发现了一种极具潜力的消毒剂，名为「2,6-二氯苯醌」，有望成为取代氯二甲酚的替代品。 这种化合物不仅能更有效地对抗某些细菌、真菌和病毒，还能在受纳水体中迅速降解并去除毒性。  这项突破性的研究由科大土木及环境工程学系的张相如教授领导。 张教授研究消毒副产物多年，疫情期间，他注意到氯二甲酚的结构与其团队以前发现的卤代酚类消毒副产物相似，而某些卤代酚类消毒副产物能够在阳光照射下迅速降解。  团队受部分卤代酚类消毒副产物的结构特性和降解性质所启发，设法从消毒副产物中筛选出一种能够在受纳水体中快速降解并去除毒性的高效广谱消毒剂。 团队研究人员测试了10种消毒副产物在灭活不同病原体时的功效，当中包括大肠杆菌（一种有机会驱动结直肠癌的常见细菌）、金黄葡萄球菌（细菌）、白色念珠菌（真菌）以及噬菌体MS2（病毒）。 他们发现2,6-二氯苯醌在灭活细菌、真菌和病毒的功效比氯二甲酚高出9至22倍。  此外，即使在没有阳光照射的环境下，2,6-二氯苯醌也能在受纳海水中通过水解途径迅速降解，因此可以快速减低对海洋生态食物链最底端的环节动物胚胎所造成的发育毒性。 2,6-二氯苯醌被排放入海水两天后显示，其发育毒性较氯二甲酚低31倍。      张教授阐释说：「与氯二甲酚相比较，我们这项研究所筛选出来的消毒剂具有更强的灭菌和灭病毒活性，即使在黑暗环境中，其浓度和发育毒性也能在海水中迅速降低。」 他强调，我们迫切需要寻找既环保又高效的消毒剂，尤其自2019冠状病毒病大流行以来，这项需求变得更加明显。 「在水环境的样本检测时，会经常检测到氯二甲酚，例如在香港的河水样本中，其最高浓度已达到每升10.6微克的水平。 毒理学研究已发现氯二甲酚对水生生物的不良影响，包括内分泌干扰、胚胎死亡和畸形发育。 以虹鳟鱼为例，若长期暴露于环境浓度下的氯二甲酚（每升4.2微克），可导致基因调控和形态变化。」 

香港科技大学（科大）工学院的研究团队研发出创新磁力驱动平台，仅需一个步骤，便可制作类似精子结构（类精子）的微型机械人，在精准药物输送应用上具备优秀的活动能力和高效性能。 团队突破传统微流控装置无法处理精密3D结构的限制，成功简化这些微型机械人的制作过程，有望将这项技术更广泛地应用于生物医学领域。  这种类精子「微型机械人（又称为微游动器）」主要用作在人体内复杂的环境穿梭，帮助精准药物输送及微创手术。 与传统的微流控技术相比，类精子微型机械人在液体环境的游动效率较高，但要大量制造，并实现高效驱动和可控药物释放一直是个难题。  科大电子及计算机工程学系副教授申亚京领导的研究团队受鳐鱼精子的活动机制所启发，开发出一部利用外在磁场驱动的漩涡湍流辅助微流控（VTAM）平台，能以一步到位的方法制成类精子微型机械人。 这些新设计的类精子微游动器具有可控制推进的灵活尾部及有效载药的核壳头部，成功在不同黏度的流体环境中达至高效推进。  申教授表示：「VTAM平台成功以便捷的方法制造复杂的3D多形态结构，实现传统层流设备无法做到的技术。 为了实践应用，我们致力进一步优化制造过程，以确保微游动器的一致性和稳定性。 我们亦期望能进行体内测试，验证这些微游动器在临床环境中的实际效果。 」 团队研发的突破性VTAM平台结合了传统十字形微流控芯片和旋转磁力搅拌器所形成的漩涡容器。 微流控芯片产生的磁性藻酸盐液滴，通过毛细管转移到氯化钙溶液漩涡容器。 这些液滴在漩涡流的作用下爆裂，令其内部的磁性藻酸盐溶液暴露，并被漩涡流抽出，形成类精子的不对称结构。 在抽出尾部后，由于与氯化钙溶液中的钙离子发生交联反应，微游动器便能在几毫秒内凝固成形。 通过此方法制成的微游动器具有可生物降解的核壳头部和柔软尾部，其形态亦可透过涡流转速和溶液浓度进行调节。 

香港科技大学（科大）物理系刘军伟教授与上海交通大学（上海交大）贾金锋教授和李耀义教授领导的合作研究团队在拓扑晶体绝缘体碲化锯的超导涡旋上发现了一种新的马约拉纳零能模（Majorana zero modes，MZMs），同时研究出利用晶体对称性调控MZMs间的杂化方法。 这项最新发现开辟了实现容错量子计算机的新途径，研究结果发表在《自然》期刊*上。 MZMs是超导体中的零能量的、拓扑非平庸的准粒子，其粒子编织方式是非阿贝尔的，即是即使交换次数相同，以不同次序交换粒子，也会产生不同的量子态（图2a）。 这特性与电子和光子等一般粒子截然不同，因为一般粒子的量子态和交换的次序无关（图2b）。 MZMs的这项扭结编织特性可以保护MZMs免受局域的干扰，所以它们是实现容错量子运算的理想平台。 虽然近年科学家发展出人工制造拓扑超导体的方法，但由于在实验室中实现MZMs编织所需特定磁场，又难似控制对MZMs之间的杂化，而这些实验中的MZMs相距亦甚远，一直无法成功耦合MZMs。 科大的理论研究团队和上海交大的实验团队合作，利用制备拓扑材料、以扫瞄穿隧显微镜测量和大规模数值模拟的丰富经验，研究出崭新方法来耦合MZMs，突破过往实验的瓶颈。 他们在碲化锯中发现了一种受晶体对称性保护的MZMs，首次证实了多个MZMs能同时存在于同一超导涡旋中; 在不涉及远距离移动MZMs和强磁场的情况下，破坏磁性镜像对称性，同一涡旋中操纵了MZMs的杂化。 （图3）

香港科技大学（科大）工学院的一支研究团队开发了一个新型环保制冷装置，其制冷效率大幅增加逾48%，刷新世界纪录，有望减少全球能源消耗之余，亦可为依赖制冷技术的行业带来改革转型。弹卡制冷技术的效能大幅提升，亦有助推动这项颠覆性技术的商业化，并减低传统制冷技术对环境所造成的不利影响。 传统的蒸气压缩制冷技术常用的制冷剂容易对环境造成污染。有鉴于此，科学家一直研究对环境友善的替代方案，当中以「基于形状记忆合金循环相变潜热固态弹卡制冷技术」尤为重要。这种技术使用的形状记忆合金制冷剂不仅不含温室气体，而且高效及可100%回收利用。然而，所有已开发装置的「温跨」，即显示制冷设备将热量从低温源传递到高温散热器的能力指标，却相对较小—如约20-50 K，大大阻碍了这一新兴技术的商业化。 为了应对这个挑战，机械及航空航天工程学系的孙庆平教授与姚舒怀教授率领其研究团队，研发了一种多材料级联弹卡制冷装置，并成功打破这款装置的制冷效能世界纪录。 他们选择了三种具有不同相变温度的镍钛合金，分别在冷端、中间端和热端工作。通过匹配各单元的工作温度与相应的相变温度，整体装置的超弹性温度窗口扩大至100 K以上，使得每个镍钛单元均能在其最佳温度范围内工作，显著提升了制冷效率。该多材料级联弹卡制冷装置在水侧实现了75 K的温跨，超越了之前的50.6 K世界纪录。这项研究突破最近发表在顶尖期刊《自然能源》(Nature Energy)上，题为「A Multi-Material Cascade Elastocaloric Cooling Device for Large Temperature Lift」。

香港科技大学（科大）工学院的研究团队成功研发了一款利用钙钛矿量子线制成的全彩纤维发光二极管，为可穿戴照明和显示设备的创新发展创造了有利条件。 纤维发光二极管（Fi-LED）因与纺织品的制造兼容及具有均匀的空间亮度，是柔性LED显示领域中常用的关键组件。金属卤化物钙钛矿（MPH）因具备卓越的光电性能，已成为新一代LED中极具潜力的发光材料。尽管潜力巨大，利用MPH制造纤维发光二极管仍存在不少挑战，包括由引力和表面张力造成的不均匀涂层、低质量的结晶，以及复杂的电极沉积过程，这些均会导致不均匀及低效率的发光。 为了解决这些难题，科大电子及计算机工程学系和化学及生物工程学系讲座教授范智勇的研究团队采用了一个新颖的方法，在薄铝纤维上使用多孔铝膜模板。多孔铝膜具有约5纳米的超小孔径，MPH前驱体溶液通过卷对卷溶液涂布技术注入多孔铝膜，随后进行退火程序，以达致空间均匀的溶剂蒸发和MPH的结晶。这个方法令钙钛矿量子线阵列能均匀生长，并大大减低了多孔铝膜表层上多余的薄膜结构的形成。 研究团队成功制成了发射峰值分别为625纳米（红色）、512纳米（绿色）和490纳米（天蓝色）的纤维发光二极管。这些二极管展现出良好的弯曲性和延展性，使其适用于纺织照明的应用。研究团队并制作了多款二维和三维的结构，包括二维全彩字符串「I ♥ HKUST」，它们均具有出色的荧光均匀性。此外，他们又利用能产生渐变颜色的卤化物钙钛矿量子线制作了维多利亚港的「夜景」，突显了纤维发光二极管的多功能性和美学潜力。 是项研究为纤维发光二极管的技术带来了重要进展。团队未来将着力提升纤维发光二极管的效率和稳定性，探索新的钙钛矿成分以增加发光颜色的数量，并将这些设备整合到商业纺织产品中。 范教授说：「量子限域效应与三维多孔铝膜结构的钝化相结合，使我们能够实现出色的光致发光和电致发光效率。我们的创新方法为制造非常规的三维结构光源开辟了新的可能性，并为先进可穿戴显示技术的发展提供了有利条件。」

香港科技大学（科大）工学院的一支研究团队首创一种手性构型的界面微结构，用于钙钛矿太阳能电池。该创新界面概念大幅度提高了电池的可靠性和光电转换效率，有助于加速钙钛矿电池的商业化进程。 钙钛矿太阳能电池是一种以钙钛矿结构化合物作为吸光材料的新型薄膜太阳能电池。这种薄膜太阳能电池生产成本低，制造工艺简单。有别于传统矽太阳能电池，钙钛矿太阳能电池无需昂贵的高温、高真空制造工艺，可采用高通量溶液印刷工艺制成。近年来，钙钛矿太阳能电池的性能正急速提升。尽管如此，要实现钙钛矿电池的最终商业化，依然有一些技术障碍，当中以其在户外环境场景下长期运行的耐久性问题尤为明显。研究人员发现，钙钛矿太阳能电池各功能层之间的界面附着力不够强，是导致器件耐久性技术问题的科学根源之一。 为解决这个问题，科大化学及生物工程学系周圆圆副教授及其研究团队从天然手性材料的机械强度中获得灵感，在钙钛矿太阳能电池中独创性地构建了手性结构界面，极大地提高了器件耐久性。 研究团队在钙钛矿吸光层和电子传输层之间嵌插了一层基于R-/S-甲基苄基铵的手性结构中间层，构建了一个坚固且具有弹性的异质界面。经封装的太阳能电池在国际电工委员会（IEC）61215太阳能电池标准下，经过200次在-40°C和85°C之间的循环，合共1,200小时的测试后，仍保留了92%的初始转换效率。 香港研究资助局博士后、现任科大化学及生物工程学系研究助理教授段甜伟博士说：「手性材料具有有趣的机械特性，这与它的子单元螺旋排列有关，就如同机械弹簧。」她补充道：「在关键器件界面引入手性结构中间层，可以使钙钛矿太阳能电池在各种器件运行状态下更具机械耐久性和动态适应性。」 周教授说道：「现在我们已经看到了钙钛矿太阳能电池商业化的曙光。这些电池已经展现出非常高的光电转换效率，一旦我们最终能克服它们在现实场景服役的耐久性问题，它们将具有极高的能源市场价值。」

香港科技大学（科大）工学院的研究团队最近成功研发了一个新型人工复眼，不仅于小范围区域的灵敏度较市场产品高出两倍以上，成本亦更低。新技术有望革新机械人视觉系统发展，并可提升机械人的导航、感知及决策等能力，为人机协作开拓更大的商业应用与发展潜力。 这个创新系统模仿生物复眼的视觉功能，应用范围极广，例如可以配合无人机，协助提升其于灌溉，或灾难事故现场侦测搜救等工作的效率和精准度。而高灵敏的人工复眼亦能更广泛及准确地侦测并连结毗邻的机械人，促进机械人或无人机群的合作。长远而言，人工复眼技术将能有效提升及改善无人驾驶的安全性，亦可加快智能化交通系统的应用，推动智慧城市发展。 新型复眼的研发由科大电子及计算机工程学系和化学及生物工程学系讲座教授范智勇及其研究团队领导，标志着仿生视觉系统领域上的重大进展。一直以来，机械人专家参照昆虫复眼这种具有广阔视野和动态捕捉功能的特性，利用可变形的电子设备，为机械人制造人工复眼。然而，基于变形过程的复杂性和不稳定性、几何形状的限制，以及光学元件与探测器单元之间潜在的不匹配状况等技术问题，透过这种方法制造的复眼系统，较难整合到如机械人或无人机等自主平台。

太阳能或光伏技术是指将光能转化为电能的清洁可再生能源技术，在全球应用日趋普遍。香港科技大学（科大）工学院的研究人员开发了一种分子钝化处理方法，显著提高了钙钛矿太阳能电池的效能和耐用性，有助于推进这种清洁能源的大规模生产。 是次突破的窍门，在于团队成功识别出钙钛矿性能和寿命的关键材料参数。钙钛矿被誉为新一代光伏材料，由于它具有独特的晶体结构，令它在光伏再生能源有着莫大的潜力。此项研究成果已于《科学》期刊上发表。 在科大电子及计算机工程学系、先进显示与光电子技术国家重点实验室的林彦宏助理教授带领下，团队探索了多种钝化方法。钝化是一种化学处理过程，可以减少材料中的缺陷，或减少缺陷带来的影响，让制造光伏器件时，电池性能得以提升，以及延长电池的工作寿命。而这个研究项目的一个重点，就是怎样使用「氨基硅烷」系列分子来钝化钙钛矿太阳能电池。 林教授介绍说：「怎样可以提升钙钛矿太阳能电池的效能呢？在最近十年的技术发展中，『钝化』工艺担当了重要角色。然而『钝化』有多种不同方式，其中能达致最高效能的那些方法，往往在器件长期工作的稳定性方面并不能带来显著改善。」 针对着钙钛矿多晶薄膜表面存在着大量的缺陷态，团队首次展示了不同类型的氨类分子（即一级氨、二级氨或三级氨），以及如何使用这些氨类分子改善这些表面。他们分别使用「外部」（工作环境外）和「内部」（工作环境内）方法观察分子与钙钛矿之间的相互作用，然后辨识出可以大幅提高光致发光量子效率的分子。换句话说，他们找到了哪些分子可以使得材料受激发时发射更多光子，令表面缺陷减少、品质提高。 林教授进一步解释：「我们今次研发出这种方法，对于钙钛矿堆叠型太阳能电池的发展意义重大。钙钛矿堆叠型太阳能电池结合了具有不同带隙的多层光活性材料，由于这种设计能在每一层吸收太阳光的不同部分，充分运用太阳光谱，所以它得以提高整体效能。」