納米材料具備優(yōu)異的力學(xué)特性，能承受遠(yuǎn)超塊體材料的應(yīng)變，常被設(shè)計用于調(diào)節(jié)塊體材料的物理/化學(xué)性能（電子、光學(xué)、磁性、聲子和催化活性等）。一直以來，精確熱管理相關(guān)技術(shù)被視為制約先進(jìn)芯片和高端設(shè)備效率和壽命的關(guān)鍵瓶頸，但圍繞這個問題，學(xué)界對于納米材料非均勻應(yīng)變下的導(dǎo)熱機(jī)制缺乏系統(tǒng)研究。

為此，北京大學(xué)楊林、高鵬、杜進(jìn)隆與西安交通大學(xué)岳圣瀛等科學(xué)家合作，通過實驗探究出非均勻應(yīng)力對導(dǎo)熱調(diào)控的新策略。研究團(tuán)隊通過在自制的懸空微器件上彎曲單個硅納米帶誘發(fā)非均勻應(yīng)變場，利用具有亞納米分辨率的基于掃描透射電子顯微鏡的電子能量損失譜技術(shù)表征了局域晶格振動譜。其研究揭示了非均勻應(yīng)變對固體導(dǎo)熱的調(diào)制機(jī)理，還為基于應(yīng)變工程的功能性器件的創(chuàng)新設(shè)計提供了重要思路。例如，基于應(yīng)變梯度引起的晶格熱導(dǎo)率降低，與載流子遷移率增強(qiáng)之間的協(xié)同作用，為開發(fā)高性能的熱電轉(zhuǎn)換器件提供一種新策略。此外，基于非均勻應(yīng)變調(diào)制熱導(dǎo)率可實現(xiàn)功能性熱開關(guān)器件，用于動態(tài)控制熱通量。

下一代工業(yè)生物技術(shù)是追“新”逐“綠”

我國科學(xué)家聚焦前沿技術(shù)創(chuàng)新和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，持續(xù)開辟相關(guān)未來產(chǎn)業(yè)新賽道。作為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的一個重要面向，下一代工業(yè)生物技術(shù)研發(fā)勢頭強(qiáng)勁。下一代工業(yè)生物技術(shù)可在開放的非滅菌環(huán)境下，基于極端微生物以可再生資源的原料進(jìn)行低成本綠色生物制造。北京理工大學(xué)霍毅欣團(tuán)隊就通過改造耐鹽濟(jì)州桿菌，實現(xiàn)了非滅菌的發(fā)酵生產(chǎn)。

該團(tuán)隊首次開發(fā)了一種類似大腸桿菌的、易于工程改造的新型耐鹽微生物平臺——濟(jì)州桿菌?Jejubacter?sp.?L23。他們通過生物合成途徑和宿主代謝途徑等多方面工程改造，實現(xiàn)了以濟(jì)州桿菌為宿主，利用非糧生物質(zhì)菊粉為底物，非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)異丁醇、（?R?，?R?）-2，3-丁二醇和番茄紅素等大宗化學(xué)品。依托該技術(shù)，在3L發(fā)酵罐中，L23R7菌株利用菊粉進(jìn)行非滅菌發(fā)酵生產(chǎn)異丁醇的產(chǎn)量高達(dá)41.0±1.2?g/L，是搖瓶發(fā)酵實驗的5.5倍。

化學(xué)反應(yīng)中稍縱即逝的瞬間?“顯形”了

化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)決定了化學(xué)反應(yīng)的基本特性。然而，對多數(shù)化學(xué)反應(yīng)而言，其反應(yīng)過渡態(tài)的壽命非常短，實驗觀測非常困難。因此，直接觀測反應(yīng)過渡態(tài)也被認(rèn)為是化學(xué)研究中的一個“圣杯”。共振態(tài)是化學(xué)反應(yīng)體系在過渡態(tài)區(qū)域形成的具有一定壽命的準(zhǔn)束縛態(tài)，它為研究化學(xué)反應(yīng)在過渡態(tài)附近的行為提供契機(jī)。

近日，中國科學(xué)院精密測量院理論與計算化學(xué)研究組宋宏偉與清華大學(xué)教授寧傳剛團(tuán)隊、新墨西哥大學(xué)郭華合作，利用FNH3—負(fù)離子偶極束縛態(tài)的自脫附現(xiàn)象，成功觀測到F + NH3反應(yīng)過渡態(tài)附近弱弗蘭克-康登區(qū)域的束縛態(tài)和Feshbach共振態(tài)，為研究化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)提供了全新的觀測手段。

新工具推動未來生命科學(xué)研究“進(jìn)度條”再向前

細(xì)胞器（organelle）是細(xì)胞質(zhì)中具有特定形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的微器官，也稱為擬器官或亞結(jié)構(gòu)。細(xì)胞的高度透明性導(dǎo)致觀察其中的細(xì)胞器十分困難。生物學(xué)家通過熒光染色標(biāo)記特定的細(xì)胞器對其進(jìn)行觀察。絕大部分熒光分子在吸收或發(fā)射過程中，表現(xiàn)為有方向的偶極子。通過熒光偏振顯微鏡測量偶極子特性，能夠反映靶分子的取向特性，從而為研究靶分子的空間構(gòu)象和運動特性提供重要信息?；诖?，單分子定向定位顯微鏡（SMOLM）被發(fā)明出來。

然而，SDOM等偏振調(diào)制技術(shù)雖具有較高的時空分辨率，但只能求解偶極子的二維取向，缺乏解析偶極子三維取向的能力。對此，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院席鵬團(tuán)隊開發(fā)出新型三維取向映射顯微鏡（3DOM）。該團(tuán)隊認(rèn)為，3DOM適用范圍廣，可應(yīng)用于區(qū)分DNA、膜細(xì)胞器以及各種細(xì)胞骨架組織的宏觀形態(tài)（肌動蛋白絲和微管），還可以獲得結(jié)構(gòu)的有序性和結(jié)合緊密度等有價值的信息。3DOM將有助于研究人員解析復(fù)雜的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，推動對眾多生物結(jié)構(gòu)和納米級相互作用的理解，為結(jié)構(gòu)生物學(xué)家、生物動力學(xué)家?guī)硇碌挠^察工具。

鼻顱底“超級偵探”來了，主打“沉浸式”體驗

近日，北京協(xié)和醫(yī)院耳鼻喉科自主研發(fā)了一款針對鼻顱底區(qū)域的高仿真度、高性價比的“鼻竇—顱底虛擬現(xiàn)實內(nèi)鏡教學(xué)系統(tǒng)”，為醫(yī)學(xué)生和醫(yī)生提供更為直觀、全面的解剖學(xué)習(xí)和手術(shù)訓(xùn)練體驗，提供VR技術(shù)條件下的鼻內(nèi)鏡教學(xué)體驗。

鼻竇—顱底區(qū)域是人體解剖最復(fù)雜的區(qū)域之一，學(xué)習(xí)困難大、曲線長。據(jù)稱，該系統(tǒng)在業(yè)界首次融合了三維解剖教學(xué)和VR仿真教學(xué)功能，如同“超級偵探”。它兼具三維解剖結(jié)構(gòu)教學(xué)、三維手術(shù)導(dǎo)航教學(xué)和內(nèi)鏡模擬探查教學(xué)功能。

這個項目建立了高分辨、高仿真頭顱內(nèi)鏡基本模型，首次針對翼腭窩、顳下窩等解剖復(fù)雜的鼻顱底區(qū)域，梳理解剖及手術(shù)要點，提供更加清晰、完備、深入的鼻竇—顱底解剖學(xué)習(xí)內(nèi)容。其通過虛擬模型和3D打印實物模型配合，并在力反饋手柄上增加延長桿，可提供高逼真度的、手眼一致的內(nèi)鏡模擬探查交互體驗。

人工智能在海量天文數(shù)據(jù)中“挖呀挖呀挖”

為什么說研究宇宙中的冷氣體和塵埃對剖析星系形成和演化至關(guān)重要呢？因為從星系的“最初組裝”到恒星形成的劇烈變化，乃至演化后期整個星系生命周期，都能借助這個方法獲得相關(guān)數(shù)據(jù)支持。具體看，中性碳吸收線可作為有效探針來跟蹤氣體和塵埃成分。但中性碳吸收線的信號微弱且稀少，需要在海量的類星體光譜數(shù)據(jù)中才能找到。使用傳統(tǒng)搜尋方法耗時且搜到假信號較多，易遺漏一些微弱信號。

中國科學(xué)院上海天文臺葛健帶領(lǐng)國際團(tuán)隊，運用人工智能的深度學(xué)習(xí)方法，對國際斯隆巡天三期釋放的類星體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了微弱信號搜尋和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了稀少的107例宇宙早期星系內(nèi)的冷氣體云塊成分的關(guān)鍵探針中性碳吸收體。他們分析發(fā)現(xiàn)，在宇宙約30億年的演化早期，這些攜帶中性碳吸收體探針的早期星系已經(jīng)過快速物理和化學(xué)演化，并進(jìn)入介于大麥哲倫矮星系和銀河系之間的物理和化學(xué)演化狀態(tài)。該研究為探索星系如何形成和演化提供了新的研究方式，展現(xiàn)了人工智能在天文海量數(shù)據(jù)中探尋微弱信號的應(yīng)用前景。

“沒有參考文獻(xiàn)的全新領(lǐng)域”從0到10，創(chuàng)新還將繼續(xù)

柔性能源作為一種新的能源策略備受關(guān)注，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝課題組勇闖纖維鋰電這個“沒有參考文獻(xiàn)的全新領(lǐng)域”，讓衣服、書包化身成為手機(jī)充電器。經(jīng)過十幾年研究，他們設(shè)計制備出高能量密度、高安全性的纖維鋰離子電池，并于近日建立起纖維電池織物的應(yīng)用示范，最終打通了從實驗室到應(yīng)用的“最后一公里”。

通過自主設(shè)計關(guān)鍵設(shè)備，課題組建立了纖維電池中試生產(chǎn)線，實現(xiàn)每小時300瓦時的產(chǎn)能。相當(dāng)于每小時生產(chǎn)的電池可同時為20部手機(jī)充電。目前，該成果的中試物料成本約為每米5角；纖維電池直徑最細(xì)僅為約500微米。課題組制作了纖維鋰離子電池制作的可充電手提包，手機(jī)放在包里就能充電，半小時可充進(jìn)20%到30%電量。未來，團(tuán)隊將嘗試集成纖維太陽能電池并與纖維鋰離子電池結(jié)合，使衣物、包等日常穿戴物品可利用自然能源直接充電，更加環(huán)保高效。

這項研究為極紫外到X射線結(jié)構(gòu)光刻開辟技術(shù)路徑

菲涅耳波帶片1818年被提出，并于二十世紀(jì)60年代成功應(yīng)用于x射線聚焦。直到2001年光子篩的出現(xiàn)，為短波的高性能聚焦提供了不同于波帶片的器件選擇。渦旋光因攜帶軌道角動量，其螺旋形相位波前致使中心具有相位奇點從而產(chǎn)生中空光束，這在粒子操控、光通信、量子信息處理、高分辨顯微成像等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所張軍勇與哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙永蓬課題組、上海理工大學(xué)詹其文課題組合作，首次完成EUV和軟x射線的結(jié)構(gòu)渦旋光調(diào)控與實驗驗證，為極紫外和軟x射線波段的結(jié)構(gòu)光刻、結(jié)構(gòu)分束調(diào)控，和短波超分辨成像開辟了可行的技術(shù)途徑。

同古希臘梯子光子篩的分束機(jī)理類似，理論上說，各類螺旋線均能產(chǎn)生相似的渦旋光場，如阿基米德螺旋、斐波那契螺旋、費馬螺旋、等角螺旋等?；谶@一指導(dǎo)思想，科研人員設(shè)計了用于EUV結(jié)構(gòu)渦旋聚焦的異形費馬螺旋光子篩。在氣體放電等離子體極紫外46.9nm激光實驗中成功獲得寬度467nm的結(jié)構(gòu)渦旋聚焦光斑，并借助相干衍射成像復(fù)原出了結(jié)構(gòu)渦旋光的螺旋相位。自支撐的異形光子篩因為天然的鏤空結(jié)構(gòu)，特別適用于EUV和軟X射線的相干光聚焦與分束調(diào)控，為從極紫外到X射線結(jié)構(gòu)光刻、波前傳感與超分辨成像提供了新的發(fā)展契機(jī)。

他們科研協(xié)同的破題思路值得借鑒

基因密碼子擴(kuò)展技術(shù)（GCE）通過將提前終止密碼子重新編碼為非天然氨基酸（UAA）應(yīng)用于蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞過程調(diào)控和遺傳性疾病治療。UAA的體內(nèi)遞送是一個難題，且UAAs在血清中代謝迅速，這就導(dǎo)致了當(dāng)下UAA在體內(nèi)利用率極低。

北京大學(xué)藥學(xué)院夏青團(tuán)隊和石玉杰博士攜手合作，攻克上述難題。夏青團(tuán)隊擅長GCE的改造與應(yīng)用，石玉杰主要從事離子液體的遞送與治療研究。他們將離子液體與基因密碼子擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)合，通過一種簡單、經(jīng)濟(jì)的策略來優(yōu)化非天然氨基酸（UAA）的底物形式，實現(xiàn)無創(chuàng)而高效的口服給藥，顯著提高UAA在體內(nèi)的暴露及其在靶細(xì)胞中的利用率，并觀察到更為快速、穩(wěn)定和持久的全長蛋白恢復(fù)表達(dá)。此項研究已獲授權(quán)中國發(fā)明專利，并申報PCT國際專利。

這項研究可推廣到通過口服途徑整合通用的UAAs來賦予疾病蛋白質(zhì)功能和減輕由無義突變引起的人類疾病，在臨床轉(zhuǎn)化方面具有前景。