新聞及香港科大故事

氯二甲酚是一種在全球廣泛應用的消毒劑，然而由於其相對較高的化學穩定性，加上被大規模使用，已證實對水中的生態系統構成了威脅。香港科技大學（科大）工學院近日發現了一種極具潛力的消毒劑，名為「2,6-二氯苯醌」，有望成為取代氯二甲酚的替代品。這種化合物不僅能更有效地對抗某些細菌、真菌和病毒，還能在受納水體中迅速降解並去除毒性。 這項突破性的研究由科大土木及環境工程學系的張相如教授領導。張教授研究消毒副產物多年，疫情期間，他注意到氯二甲酚的結構與其團隊以前發現的鹵代酚類消毒副產物相似，而某些鹵代酚類消毒副產物能夠在陽光照射下迅速降解。 團隊受部分鹵代酚類消毒副產物的結構特性和降解性質所啟發，設法從消毒副產物中篩選出一種能夠在受納水體中快速降解並去除毒性的高效廣譜消毒劑。團隊研究人員測試了10種消毒副產物在滅活不同病原體時的功效，當中包括大腸桿菌（一種有機會驅動結直腸癌的常見細菌）、金黃葡萄球菌（細菌）、白色念珠菌（真菌）以及噬菌體MS2（病毒）。他們發現2,6-二氯苯醌在滅活細菌、真菌和病毒的功效比氯二甲酚高出9至22倍。 此外，即使在沒有陽光照射的環境下，2,6-二氯苯醌也能在受納海水中通過水解途徑迅速降解，因此可以快速減低對海洋生態食物鏈最底端的環節動物胚胎所造成的發育毒性。2,6-二氯苯醌被排放入海水兩天後顯示，其發育毒性較氯二甲酚低31倍。      張教授闡釋說：「與氯二甲酚相比較，我們這項研究所篩選出來的消毒劑具有更強的滅菌和滅病毒活性，即使在黑暗環境中，其濃度和發育毒性也能在海水中迅速降低。」 他強調，我們迫切需要尋找既環保又高效的消毒劑，尤其自2019冠狀病毒病大流行以來，這項需求變得更加明顯。「在水環境的樣本檢測時，會經常檢測到氯二甲酚，例如在香港的河水樣本中，其最高濃度已達到每升10.6微克的水平。毒理學研究已發現氯二甲酚對水生生物的不良影響，包括內分泌干擾、胚胎死亡和畸形發育。以虹鱒魚為例，若長期暴露於環境濃度下的氯二甲酚（每升4.2微克），可導致基因調控和形態變化。」

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊研發出創新磁力驅動平台，僅需一個步驟，便可製作類似精子結構（類精子）的微型機械人，在精準藥物輸送應用上具備優秀的活動能力和高效性能。團隊突破傳統微流控裝置無法處理精密3D結構的限制，成功簡化這些微型機械人的製作過程，有望將這項技術更廣泛地應用於生物醫學領域。 這種類精子「微型機械人（又稱為微游動器）」主要用作在人體內複雜的環境穿梭，幫助精準藥物輸送及微創手術。與傳統的微流控技術相比，類精子微型機械人在液體環境的游動效率較高，但要大量製造，並實現高效驅動和可控藥物釋放一直是個難題。 科大電子及計算機工程學系副教授申亞京領導的研究團隊受鰩魚精子的活動機制所啟發，開發出一部利用外在磁場驅動的漩渦湍流輔助微流控（VTAM）平台，能以一步到位的方法製成類精子微型機械人。這些新設計的類精子微游動器具有可控制推進的靈活尾部及有效載藥的核殼頭部，成功在不同黏度的流體環境中達至高效推進。 申教授表示：「VTAM平台成功以便捷的方法製造複雜的3D多形態結構，實現傳統層流設備無法做到的技術。為了實踐應用，我們致力進一步優化製造過程，以確保微游動器的一致性和穩定性。我們亦期望能進行體內測試，驗證這些微游動器在臨床環境中的實際效果。」 團隊研發的突破性VTAM平台結合了傳統十字形微流控晶片和旋轉磁力攪拌器所形成的漩渦容器。微流控晶片產生的磁性藻酸鹽液滴，通過毛細管轉移到氯化鈣溶液漩渦容器。這些液滴在漩渦流的作用下爆裂，令其內部的磁性藻酸鹽溶液暴露，並被漩渦流抽出，形成類精子的不對稱結構。在抽出尾部後，由於與氯化鈣溶液中的鈣離子發生交聯反應，微游動器便能在幾毫秒內凝固成形。通過此方法製成的微游動器具有可生物降解的核殼頭部和柔軟尾部，其形態亦可透過渦流轉速和溶液濃度進行調節。 為了進一步提高這些新型微游動器的藥物輸送性能，研究團隊在其表面塗上一層酸鹼性敏感膜，讓微游動器能在不同酸鹼值的環境下均達到緩慢並受控的藥物釋放效果。研究證實在不同環境條件下，有塗上該薄膜的微游動器表現出色，藥物釋放效果亦顯著高於未塗上該薄膜的微游動器。研究團隊其後將微游動器導入生物體模擬環境，並在特定位置釋放藥物，進一步印證這種新型微游動機械人在生物醫學上極具應用潛力。

香港科技大學（科大）物理系劉軍偉教授與上海交通大學（上海交大）賈金鋒教授和李耀義教授領導的合作研究團隊在拓撲晶體絕緣體碲化鍚的超導渦旋上發現了一種新的馬約拉納零能模（Majorana zero modes，MZMs），同時研究出利用晶體對稱性調控MZMs間的雜化方法。這項最新發現開闢了實現容錯量子電腦的新途徑，研究結果發表在《自然》期刊*上。 MZMs是超導體中的零能量的、拓撲非平庸的準粒子，其粒子編織方式是非阿貝爾的，即是即使交換次數相同，以不同次序交換粒子，也會產生不同的量子態（圖1a）。這特性與電子和光子等一般粒子截然不同，因為一般粒子的量子態和交換的次序無關（圖1b）。MZMs的這項扭結編織特性可以保護MZMs免受局域的干擾，所以它們是實現容錯量子運算的理想平台。雖然近年科學家發展出人工製造拓撲超導體的方法，但由於在實驗室中實現MZMs編織所需特定磁場，又難似控制對MZMs之間的雜化，而這些實驗中的MZMs相距亦甚遠，一直無法成功耦合MZMs。 科大的理論研究團隊和上海交大的實驗團隊合作，利用製備拓撲材料、以掃瞄穿隧顯微鏡測量和大規模數值模擬的豐富經驗，研究出嶄新方法來耦合MZMs，突破過往實驗的瓶頸。他們在碲化鍚中發現了一種受晶體對稱性保護的MZMs，首次證實了多個MZMs能同時存在於同一超導渦旋中；在不涉及遠距離移動MZMs和強磁場的情況下，破壞磁性鏡像對稱性，同一渦旋中操縱了MZMs的雜化。（圖2）

香港科技大學（科大）工學院的一支研究團隊開發了一個新型環保製冷裝置，其製冷效率大幅增加逾48%，刷新世界紀錄，有望減少全球能源消耗之餘，亦可為依賴製冷技術的行業帶來改革轉型。彈卡製冷技術的效能大幅提升，亦有助推動這項顛覆性技術的商業化，並減低傳統製冷技術對環境所造成的不利影響。 傳統的蒸氣壓縮製冷技術常用的製冷劑容易對環境造成污染。有鑑於此，科學家一直研究對環境友善的替代方案，當中以「基於形狀記憶合金循環相變潛熱固態彈卡製冷技術」尤為重要。這種技術使用的形狀記憶合金製冷劑不僅不含溫室氣體，而且高效及可100%回收利用。然而，所有已開發裝置的「溫跨」，即顯示製冷設備將熱量從低溫源傳遞到高溫散熱器的能力指標，卻相對較小—如約20-50 K，大大阻礙了這一新興技術的商業化。 為了應對這個挑戰，機械及航空航天工程學系的孫慶平教授與姚舒懷教授率領其研究團隊，研發了一種多材料級聯彈卡製冷裝置，並成功打破這款裝置的製冷效能世界紀錄。 他們選擇了三種具有不同相變溫度的鎳鈦合金，分別在冷端、中間端和熱端工作。通過匹配各單元的工作溫度與相應的相變溫度，整體裝置的超彈性溫度窗口擴大至100 K以上，使得每個鎳鈦單元均能在其最佳溫度範圍內工作，顯著提升了製冷效率。該多材料級聯彈卡製冷裝置在水側實現了75 K的溫跨，超越了之前的50.6 K世界紀錄。這項研究突破最近發表在頂尖期刊《自然能源》(Nature Energy)上，題為「A Multi-Material Cascade Elastocaloric Cooling Device for Large Temperature Lift」。

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊成功研發了一款利用鈣鈦礦量子線製成的全彩纖維發光二極管，為可穿戴照明和顯示設備的創新發展創造了有利條件。 纖維發光二極管（Fi-LED）因與紡織品的製造兼容及具有均勻的空間亮度，是柔性LED顯示領域中常用的關鍵組件。金屬鹵化物鈣鈦礦（MPH）因具備卓越的光電性能，已成為新一代LED中極具潛力的發光材料。儘管潛力巨大，利用MPH製造纖維發光二極管仍存在不少挑戰，包括由引力和表面張力造成的不均勻塗層、低質量的結晶，以及複雜的電極沉積過程，這些均會導致不均勻及低效率的發光。 為了解決這些難題，科大電子及計算機工程學系和化學及生物工程學系講座教授范智勇的研究團隊採用了一個新穎的方法，在薄鋁纖維上使用多孔鋁膜模板。多孔鋁膜具有約5納米的超小孔徑，MPH前驅體溶液通過卷對卷溶液塗布技術注入多孔鋁膜，隨後進行退火程序，以達致空間均勻的溶劑蒸發和MPH的結晶。這個方法令鈣鈦礦量子線陣列能均勻生長，並大大減低了多孔鋁膜表層上多餘的薄膜結構的形成。 研究團隊成功製成了發射峰值分別為625納米（紅色）、512納米（綠色）和490納米（天藍色）的纖維發光二極管。這些二極管展現出良好的彎曲性和延展性，使其適用於紡織照明的應用。研究團隊並製作了多款二維和三維的結構，包括二維全彩字符串「I ♥ HKUST」，它們均具有出色的熒光均勻性。此外，他們又利用能產生漸變顏色的鹵化物鈣鈦礦量子線製作了維多利亞港的「夜景」，突顯了纖維發光二極管的多功能性和美學潛力。 是項研究為纖維發光二極管的技術帶來了重要進展。團隊未來將著力提升纖維發光二極管的效率和穩定性，探索新的鈣鈦礦成分以增加發光顏色的數量，並將這些設備整合到商業紡織產品中。 范教授說：「量子限域效應與三維多孔鋁膜結構的鈍化相結合，使我們能夠實現出色的光致發光和電致發光效率。我們的創新方法為製造非常規的三維結構光源開闢了新的可能性，並為先進可穿戴顯示技術的發展提供了有利條件。」

香港科技大學（科大）工學院的一支研究團隊首創一種手性構型的界面微結構，用於鈣鈦礦太陽能電池。該創新界面概念大幅度提高了電池的可靠性和光電轉換效率，有助於加速鈣鈦礦電池的商業化進程。 鈣鈦礦太陽能電池是一種以鈣鈦礦結構化合物作為吸光材料的新型薄膜太陽能電池。這種薄膜太陽能電池生產成本低，製造工藝簡單。有別於傳統矽太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池無需昂貴的高溫、高真空製造工藝，可採用高通量溶液印刷工藝製成。近年來，鈣鈦礦太陽能電池的性能正急速提升。儘管如此，要實現鈣鈦礦電池的最終商業化，依然有一些技術障礙，當中以其在戶外環境場景下長期運行的耐久性問題尤為明顯。研究人員發現，鈣鈦礦太陽能電池各功能層之間的界面附著力不夠強，是導致器件耐久性技術問題的科學根源之一。 為解決這個問題，科大化學及生物工程學系周圓圓副教授及其研究團隊從天然手性材料的機械強度中獲得靈感，在鈣鈦礦太陽能電池中獨創性地構建了手性結構界面，極大地提高了器件耐久性。 研究團隊在鈣鈦礦吸光層和電子傳輸層之間嵌插了一層基於R-/S-甲基苄基銨的手性結構中間層，構建了一個堅固且具有彈性的異質界面。經封裝的太陽能電池在國際電工委員會（IEC）61215太陽能電池標準下，經過200次在-40°C和85°C之間的循環，合共1,200小時的測試後，仍保留了92%的初始轉換效率。 香港研究資助局博士後、現任科大化學及生物工程學系研究助理教授段甜偉博士說：「手性材料具有有趣的機械特性，這與它的子單元螺旋排列有關，就如同機械彈簧。」她補充道：「在關鍵器件界面引入手性結構中間層，可以使鈣鈦礦太陽能電池在各種器件運行狀態下更具機械耐久性和動態適應性。」 周教授說道：「現在我們已經看到了鈣鈦礦太陽能電池商業化的曙光。這些電池已經展現出非常高的光電轉換效率，一旦我們最終能克服它們在現實場景服役的耐久性問題，它們將具有極高的能源市場價值。」

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊最近成功研發了一個新型人工複眼，不僅於小範圍區域的靈敏度較市場產品高出兩倍以上，成本亦更低。新技術有望革新機械人視覺系統發展，並可提升機械人的導航、感知及決策等能力，為人機協作開拓更大的商業應用與發展潛力。 這個創新系統模仿生物複眼的視覺功能，應用範圍極廣，例如可以配合無人機，協助提升其於灌溉，或災難事故現場偵測搜救等工作的效率和精準度。而高靈敏的人工複眼亦能更廣泛及準確地偵測並連結毗鄰的機械人，促進機械人或無人機群的合作。長遠而言，人工複眼技術將能有效提升及改善無人駕駛的安全性，亦可加快智能化交通系統的應用，推動智慧城市發展。 新型複眼的研發由科大電子及計算機工程學系和化學及生物工程學系講座教授范智勇及其研究團隊領導，標誌著仿生視覺系統領域上的重大進展。一直以來，機械人專家參照昆蟲複眼這種具有廣闊視野和動態捕捉功能的特性，利用可變形的電子設備，為機械人製造人工複眼。然而，基於變形過程的複雜性和不穩定性、幾何形狀的限制，以及光學元件與探測器單元之間潛在的不匹配狀況等技術問題，透過這種方法製造的複眼系統，較難整合到如機械人或無人機等自主平台。

太陽能或光伏技術是指將光能轉化為電能的清潔可再生能源技術，在全球應用日趨普遍。香港科技大學（科大）工學院的研究人員開發了一種分子鈍化處理方法，顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的效能和耐用性，有助於推進這種清潔能源的大規模生產。 是次突破的竅門，在於團隊成功識別出鈣鈦礦性能和壽命的關鍵材料參數。鈣鈦礦被譽為新一代光伏材料，由於它具有獨特的晶體結構，令它在光伏再生能源有著莫大的潛力。此項研究成果已於《科學》期刊上發表。 在科大電子及計算機工程學系、先進顯示與光電子技術國家重點實驗室的林彥宏助理教授帶領下，團隊探索了多種鈍化方法。鈍化是一種化學處理過程，可以減少材料中的缺陷，或減少缺陷帶來的影響，讓製造光伏器件時，電池性能得以提升，以及延長電池的工作壽命。而這個研究項目的一個重點，就是怎樣使用「氨基硅烷」系列分子來鈍化鈣鈦礦太陽能電池。 林教授介紹說：「怎樣可以提升鈣鈦礦太陽能電池的效能呢？在最近十年的技術發展中，『鈍化』工藝擔當了重要角色。然而『鈍化』有多種不同方式，其中能達致最高效能的那些方法，往往在器件長期工作的穩定性方面並不能帶來顯著改善。」 針對著鈣鈦礦多晶薄膜表面存在著大量的缺陷態，團隊首次展示了不同類型的氨類分子（即一級氨、二級氨或三級氨），以及如何使用這些氨類分子改善這些表面。他們分別使用「外部」（工作環境外）和「內部」（工作環境內）方法觀察分子與鈣鈦礦之間的相互作用，然後辨識出可以大幅提高光致發光量子效率的分子。換句話說，他們找到了哪些分子可以使得材料受激發時發射更多光子，令表面缺陷減少、品質提高。 林教授進一步解釋：「我們今次研發出這種方法，對於鈣鈦礦堆疊型太陽能電池的發展意義重大。鈣鈦礦堆疊型太陽能電池結合了具有不同帶隙的多層光活性材料，由於這種設計能在每一層吸收太陽光的不同部分，充分運用太陽光譜，所以它得以提高整體效能。」