欣赏科学之奇，领略量子之妙——中科大上海研究院成功举办公众科学日

浦东科协

2024年05月21日 08:39

科学集市——美与科学并存

说起钻石，你可能会想到它是天然的昂贵矿物。可是你知道吗，利用实验室里面“科技与狠活”，也可以制造出钻石，而且粉钻、黄钻、蓝钻，尽可随心调配。“这颗黄钻，是因为含有氮元素，氮代替了原本的碳，形成黄色。”在量子璨钻摊位前，志愿者轻声对好奇的小观众解说到。

科学活动日，为什么会亮相钻石呢？难道科学家们都“不务正业”开始造首饰了？原来，这是因为，金刚石晶体中的碳原子被其他类型的原子取代，会形成一种晶格缺陷——NV色心。它可以被科学家用来制造量子比特，因为它发出的光子，能够保持量子叠加态，而且，它的亮度根据环境中的磁性而发生改变，特别适合用于测量磁场、磁共振成像（MRI）以及量子计算和信息。

见识到璀璨、多彩的钻石，同时还理解了量子物理的知识，这就是本次科学活动日的特点——科学和有趣可以高度融合。

说起大漆，你可能不了解。其实，漆器和瓷器、丝绸一样，都是中国传统手工艺的代表，与大漆相关的十九项传统技艺，被列入国家非物质文化遗产名录。如果你昨天来到位于上海市浦东新区秀浦路99号的中国科大上海研究院，你一定会惊叹于它的美不胜收。在一个小小的漂流扇摊位前，络绎不绝、人头攒动，大漆漂浮于水面，化身流动的艺术，水为笔，扇为纸，每个人都想要亲自旋转手中的扇子，将水中大漆的颜色，绘成自己手中独一无二的漆扇。

自己动手做漆扇

而你恐怕很难想象，这样一个充满艺术性的展示，竟是今年“墨子沙龙”5月19日公众科学日活动的一部分。科学和艺术，共同为参与的人们提供美好的精神盛宴。

昨天，研究院大院里的科学小集市热闹非凡，除了代表传统技艺的漆扇摊位，还有展示生物和海洋知识的贝壳摊位，将量子科技照进钻石的量子璨钻摊位，被电磁作用控制下落速度的魔力小球摊位，都吸引了许许多多好奇的参观者。“摊主”们一边讲解，一边解答参观者们的花式提问，好不热闹。

“小球下落怎么这么慢？”

而相比这些只能用眼睛、双手、和大脑去体会的项目，液氮冰激凌摊位更是忙得不可开交——液氮将奶油瞬间冻成冰凉小球，棉花糖般的轻盈触感，配合因为液氮变脆的口感，别有一番风味，让太阳下的参观者们直呼过瘾。

科学与你并不遥远

下午，活动迎来重头戏——知名up主真·凤舞九天的大型实验秀，在他手中，让同学们头疼的化学和物理知识不再是枯燥的公式和符号，它们变成魔法，幻化出光影变幻、五彩斑斓，让台下的孩子们目不转睛。让你在目不暇接中惊呼科学的神奇，也近距离的切身感受到科学并不遥远，它生动、有趣，而且你也可以玩转它。

瞬间变色啦！

说起“科学并不遥远”，你有没有想过近距离感受下前沿实验室的魅力呢？没错，本届公众科学日的主题是“奇妙的量子世界”，主办方自然是拿出了压箱底的宝贝——选取了部分幸运参观者，进入真实的各个量子实验室，与最前沿的量子科学来个“亲密接触”。

当直播镜头随着知名up主“来自星星的何教授”以及幸运参观者来到锂镝原子实验室，志愿者早已等候在门口，迎接好奇的观众们。他们一边带领观众参观实验室，一边讲解科学原理，虽然他们口中的专业术语十分高深，年纪小的参观者一时不能领会其真义，但是眼前的实验设备倒是让参观者和主持人大呼“接地气”。

“本以为会像《三体》剧版里面那样酷炫高冷，没想到现实中的实验设备和工作中的科学家还是非常平易近人的，当然，除了超净间的洁净度要求很高、冷原子实验室确实很‘冷’以外。”观众打趣地说道。

参观完实验室，连自称“不擅长实验”的何教授都表示，自己的理论工作要更多与实验科学家结合，说不定能擦出不一样的火花。

哪里最热——当属太阳能

要说本届活动最大的热点，那关键词一定是“太阳能”。

在科学小集市上，已经有很多参观者，亲手制作出了利用太阳能行走的小小“月球车”。而实践了一把太阳能带来的动力之后，必须还得来点理论的熏陶。为此，主办方奉上了科学浓度最高的部分——中国科学技术大学教授徐集贤带来了科普报告《太阳能的利用：从光子到电子》。

太阳能，其实是一个既古老又有新意的话题，说它古老，是因为自古以来，太阳就为地球提供了万物之能源，人们所能利用的绝大多数能源——生物能源、化石能源、风能、水能等等，归根究底都来源于太阳。说它有新意，是因为随着人口规模的增长和生产生活方式的变化，人类对于能源的消耗速度在不断的加快；而另一方面，我们因为使用化石能源排放的温室气体，已经对气候造成了不可忽视的影响。未来，我们需要将地球的温度升高控制在1.5摄氏度以内，这就是我们要实现碳达峰、碳中和的目的。想要实现这个目标，需要大力发展绿色的零碳能源。而在可再生能源中，只有太阳能，可以满足人类对于能源的巨大需求——“如果我们可以将地球表面千分之一的面积都装上太阳能电池板，假设这样的太阳能电池板有5%的效率，产生的能量也足够世界消耗的40倍。” 徐集贤教授说道。

大多数人都听过阿基米德利用镜子聚光烧毁敌船的故事，现实中，我国的敦煌，也有一万多面让太阳聚光产热的镜子，这就是敦煌-100MW熔盐太阳能聚光热电站，发电效率最高可以达到20%。而敦煌-百兆瓦级光伏太阳电池电站，年发电小时数达5000小时以上，发电效率也可达到20%。

敦煌-100MW熔盐太阳能聚光热电站

太阳能的利用不仅在地球上可以多姿多彩，大漠、山地、农田、海洋，都有用武之地，在太空探索领域，太阳能更是无可取代，中国的火星探测器——“祝融号”火星车，就是利用太阳能电池板获取能源的。

人类对于光伏的实践很早就开始，但直到1954年4月25日，贝尔实验室才发明了第一个高效的现代意义上的太阳能电池，它的效率只有6%，但是在当时已经巨大的进步。纽约时报评论其“可能标志着一个新时代的开始”。

太阳能电池本质上是一个光电二极管，而能量转化效率（PCE, power-conversion efficiency），是评价太阳能电池最为重要的参数。1961年，Shockley和Queisser通过计算，得出结论：光伏半导体的最优带隙是1.3电子伏左右，在此带隙下，光伏半导体能够达到的最高的太阳能转换效率是33%。为了突破这个所谓的效率极限，科学家提出了一些新概念电池方案，其中，叠层电池的概念被认为是很好的方案。“所谓的叠层技术，就是我们需要寻找不同带隙的半导体对宽阔的光谱进行分段吸收，然后使用一种精密的光电耦合结构将各个吸光层的光生伏特叠加起来，就能实现太阳能全光谱的高效应用。三节叠层电池的极限就可以达到40%以上。”

近年来，几类太阳能材料和器件的效率都在不断攀升，除了传统的晶硅材料以外，薄膜电池、新概念电池也在崭露头角。

值得自豪的是，在占据了95%主流市场的晶硅太阳电池领域，我国的晶硅光伏已成为中国制造的一张名片。而在特殊领域下所需要的层叠电池，效率虽高，但成本昂贵，这就让科学家产生一个努力的方向——希望用低成本的方法来制备这种超高效的电池，让它可以进入千家万户。

在新概念太阳能电池中，近年来，钙钛矿光伏材料发展迅猛，2023年，中国科大徐集贤团队提出了多孔绝缘接触的结构方案，克服了钙钛矿器件中纳米级超薄绝缘层普遍存在“钝化-传输”矛盾问题，并将这种结构不断进行迭代升级，应用在p-i-n反式钙钛矿电池中，创造了26.1%的稳态世界纪录。而此前的2020年，该团队已经利用晶硅+钙钛矿的组合，构建叠层电池，首次超越了晶硅电池纪录。

未来，无论在太空探索、海量数据处理，太阳能发电都将展现其独特优势。太阳能发电也将渗透到生活的各个角落。

本次公众科学日活动项目紧凑，内容饱满，将科学性、趣味性、艺术性以及可操作性有机结合，参观者经过一天的时间，仍意犹未尽。活动除了邀请到中国科大教授和两位知名up主的倾情参与，两位来自上海戏剧学院的主持人钟雨竹、张之一，在主持活动进程的同时，也如好奇的孩子一般，感受了一把科学的魔力。此外，“奇妙量子世界”活动在墨子沙龙视频号、蔻享学术、新浪微博、哔哩哔哩等多个平台，进行全方位直播，累计观看人次超196万。

本次活动由中国科学院、中国科学技术大学上海研究院、上海市浦东新区南七量子科技交流中心主办；中国科大新创校友基金会、中国科学技术大学教育基金会、上海市浦东新区科学技术协会、上海陆家嘴金融城发展基金会、上海市科学技术委员会协办。

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