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  • 发布时间 : 2020-07-30
  • 清华大学郑泉水院士团队实现

    微米超滑界面的直接表征


    近日,清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士研究组在结构超滑领域取得重要进展,该工作创造性地提出了一种可直接表征微米超滑接触界面的方法,借此方法研究了超滑界面的多种缺陷对层间摩擦的影响,建立了超滑界面结构与摩擦行为之间的对应关系。相关研究成果在《物理评论快报》(Physical Review Letters)以题为“微米尺度石墨超滑界面的表征”(Characterization of a microscale superlubric graphite interface)的文章在线报道,同时被《物理评论快报》选为编辑推荐文章。


    微米尺度石墨界面结构与摩擦力的对应关系。(a)对于具有自回复特性的样品1-3,摩擦力几乎与正压力无关,插图为不具有自回复特性样品8,其摩擦力与正压力几乎成正比。(b)样品2的界面形貌:下表面含有内台阶,上表面含有凸起。(c)样品3的界面形貌:上下表面无任何缺陷结构。(d)样品8的界面形貌:上下表面均存在外台阶。图中的尺度棒均为1µm。


    摩擦是人类历史上研究和利用的最久远、最基础、最重要的现象之一,对物理、工程、化学、生物等领域具有十分重要的意义。当今工业化国家依然有高达约1/4能源因摩擦而消耗掉,约80%机械部件失效由于磨损造成。摩擦、磨损的存在,使得许多关键技术(从航天器、高铁、计算机存储、到微机电系统等)遇到发展瓶颈。由郑泉水研究组于2012年开创的结构超滑技术,是指两个微米尺度以上固体接触间近乎零摩擦、零磨损的现象。该技术通过石墨岛结构的“自回复”现象来巧妙实现。这个曾经被认为“不可能”的技术的实现,一方面为上述问题带来了根本解决途径,另一方面为未来诸多颠覆性技术带来了难得的机遇。在深圳市政府和深圳市坪山区政府专款资助下,全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学超滑技术研究所在深圳设立。


    对微米尺度界面结构的直接表征并将其与观测到的摩擦现象进行关联是该领域多年来的挑战之一。本文所报道的工作首先在实验上发展了一种可将微米尺度范德华层状材料接触界面上表面进行翻转的技术,这一技术可控地暴露出原本隐藏在两个接触体之间的接触界面,以实现对该界面的直接表征。我们将该技术应用于微米尺度石墨超滑接触,首次直接证明了具有自回复特性的石墨岛,其接触界面为两个单晶表面且彼此非公度;同时在接触界面的一侧或两侧偶尔观察到内部缺陷结构,如埋藏在表层以下的内台阶等结构,但模拟与实验均表明,这些内部缺陷在低速时不影响接触界面的超滑特性。与此相反,在不具有自回复特性的石墨岛中,我们观察到接触界面的一侧或两侧存在暴露于表层的外部缺陷,如外台阶等结构,这些结构会导致极大的摩擦。该结果回答了困扰我们多年的问题,即为什么只有部分微米尺度石墨界面具有自回复特性。这一结果加深了人们对超滑界面结构与摩擦行为间联系的理解,也为超滑器件的设计提供了指导。


    郑泉水教授2016级博士生王琨淇为论文第一作者,郑泉水和深圳清华大学研究院超滑技术研究所瞿苍宇博士为共同通讯作者,论文合作者还包括博士生王进,中国科学院物理研究所微加工实验室全保刚副主任工程师。该论文的第一单位为清华大学机械工程系和摩擦学国家重点实验室,合作单位包括清华大学工程力学系、清华大学微纳米力学与多学科交叉研究中心和中国科学院物理研究所凝聚态物理国家实验室。



    文章链接:

    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.026101







    物理系江万军课题组在

    拓扑量子磁性方面取得研究进展


    近期,清华大学物理系江万军课题组在拓扑磁结构的旋性布朗运动方面取得进展,在2020年7月美国物理学会出版的国际权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,以“拓扑数相关的斯格明子旋性布朗运动”(Topology-Dependent Brownian Gyromotion of a Single Skyrmion)为题发表了研究论文。


    布朗运动是一种非平衡态热力学现象,它描述的是㴆入在液体中微小颗粒的随机运动行为。早在1905年,爱因斯坦就对布朗运动开展了理论研究,并指出:布朗运动行为是各向同性、扩散系数与温度之间呈线性关系。法国物理学家让·佩兰(Jean Perrin)也通过研究布朗运动,证实了物质的原子属性以及爱因斯坦理论的正确性,并于1926年获得了诺贝尔物理学奖。但直到今天,人们对布朗运动的研究至今从未停止过。


    有限温度下具有正负拓扑数的斯格明子的旋性布朗运动。左图所示为拓扑数Q=-1的斯格明子,右图为Q= +1的斯格明子。上图为实验中所观测到的斯格明子随温度之间指数型扩散关系。


    近日,来自清华大学和香港中文大学(深圳)的研究团队发现,磁性薄膜中斯格明子的布朗运动行为与爱因斯坦的理论预测存在显著差异。斯格明子是一种具有自旋拓扑属性的一种准粒子,它在热扰动影响下会发生随机运动。但其自旋拓扑属性在随机热运动中的响应却一直没有被发现。利用时间与空间分辨的磁光克尔效应显微镜,江万军课题组发现了斯格明子的旋性布朗运动行为。取决于斯格明子的自旋拓扑态,具有相反拓扑电荷Q=±1的斯格明子,布朗运动轨迹分别沿顺时针和逆时针方向旋进。由于缺陷的钉扎效应,他们还观测到扩散系数随温度呈指数依赖关系,这与爱因斯坦的线性温度扩散理论相违背。该工作的微磁学模拟和理论计算是由香港中文大学(深圳)周艳副教授课题组博士后张溪超、夏静和博士生梁雪完成的。此项研究不但能为理解拓扑磁结构的非平衡动力学有所帮助,同时也能为未来自旋电子器件的开发和应用提供一定的指导方案。


    清华大学物理系2018级博士生赵乐、博士后王子东和香港中文大学(深圳)博士后张溪超,博士生梁雪为文章共同第一作者,清华大学物理系江万军副教授和香港中文大学(深圳)周艳副教授为共同通讯作者。论文合作者包括中国科学院物理所的于国强研究员、美国加州大学洛杉矶分校的王康隆教授和日本信州大学的刘小晰教授。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京自然科学基金、清华大学自主科研计划理科专项、北京市高精尖芯片中心(ICFC)等项目的支持。



    论文链接:

    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.027206.







    清华大学生命学院杨雪瑞与厦门大学迪特·伍尔夫

    合作发现eIF3促进翻译早期延伸的新功能


    日前,《分子细胞》(Molecular Cell)期刊在线发表了题为“eIF3与80S核糖体结合促进翻译延伸、线粒体稳态及肌肉健康“(eIF3 Associates with 80S Ribosomes to Promote Translation Elongation, Mitochondrial Homeostasis, and Muscle Health)的研究论文,报道了厦门大学迪特•伍尔夫(Dieter Wolf)课题组和清华大学生命学院杨雪瑞课题组关于蛋白质翻译调控的最新合作研究成果。


    蛋白质的翻译是细胞内基因表达与机体维持正常生理功能的基本过程,然而对于翻译各阶段的基因特异性精密调控及分子机制仍有许多重要问题有待解决。经典的理论认为,真核翻译起始因子eIF3在翻译起始阶段具有重要功能。厦门大学迪特•伍尔夫课题组和清华大学杨雪瑞课题组紧密合作,通过对质谱及核糖体分析(ribosome profiling)等大数据的深度挖掘与解析,发现一个意料之外的原创成果,即eIF3在翻译的早期延伸阶段也起到关键的调控作用,而该调控功能主要作用于一组2000多个mRNA在前75个密码子的翻译延伸速度,这导致与线粒体和膜功能相关的蛋白合成缺陷。他们的研究表明,eIF3在翻译早期延伸阶段与80S核糖体相互作用,并招募蛋白质翻译质量控制因子。eIF3的这一功能与线粒体正常生理机能的维持和肌肉健康密切相关。基于此发现,伍研究团队构建了eIF3e+/-小鼠模型,发现这些小鼠在骨骼肌中积累了大量有缺陷的线粒体,并逐渐显示出肌力下降和运动能力的严重削弱。


    eIF3在翻译起始、延伸和新生蛋白靶向过程中的作用模型


    本论文揭示了真核生物翻译过程中重要的起始因子家族eIF3的新功能,并利用eIF3e缺陷小鼠模型证明eIF3对维持线粒体的生理功能和小鼠肌肉健康具有重要意义。eIF3对线粒体功能的重要作用也为一些与线粒体相关的重大疾病(如老年痴呆、帕金森综合征及恶性肿瘤等)在未来的研究及临床药物开发提供了新的思路和方向。


    本论文由厦门大学迪特•伍尔夫教授课题组与清华大学杨雪瑞课题组合作完成。研究工作结合了伍尔夫课题组在翻译调控的分子机制研究方面的成果与杨雪瑞课题组在翻译组大数据深度挖掘与解析方法学方面的积累。厦门大学药学院教授迪特•伍尔夫、助理教授程亚彬,清华大学生命学院副教授杨雪瑞为论文共同通讯作者。厦门大学博士生林英英(已毕业)与清华大学生命学院博士生李发金为共同第一作者。杨雪瑞课题组的研究工作得国家重点研发计划“精准医学研究”重点专项、国家自然科学基金委、清华大学自主科研项目的资助。清华大学蛋白质研究技术中心基因测序平台及生物计算平台对本课题的研究提供了大力支持。



    论文链接:

    https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(20)30388-9






    清华大学微电子所钱鹤、吴华强团队研制出

    人工树突器件,实现新型神经网络


    近日,清华大学微电子所、未来芯片技术高精尖创新中心的钱鹤、吴华强教授团队与合作者通过引入具有丰富动态特性的人工树突计算单元,构建了包含突触、树突以及胞体的新型人工神经网络,在提高网络计算准确率的同时显著降低了系统功耗。相关研究成果在《自然•纳米科技》(Nature Nanotechnology)在线发表,文章题为“基于人工树突的高效神经网络”(Power-Efficient Neural Network with Artificial Dendrites)。


    包含树突计算的新型人工神经网络示意图


    生物神经元中的树突具有非常复杂的拓扑结构和动态过程,人脑中的树突尤其复杂。许多生物神经系统的研究表明树突具有非常重要的非线性时空信息处理功能,它是大脑能够在处理复杂任务的同时保持低功耗的重要原因之一。当前的人工神经网络大多将神经元简化成了简单的点模型,将其计算功能简化成积分-发放(integrate-and-fire),忽略了树突的信息处理功能。这样的简化使得人工神经网络与生物神经网络相比,在复杂任务处理的灵活性、鲁棒性和功耗上仍存在很大的差距。


    受生物神经系统中电化学动态过程启发,该研究团队通过材料体系遴选与器件结构设计,制备出了一种能够模拟树突功能的新原理器件,成功复现了生物树突对信号的非线性过滤、积分以及对时间信号的处理方式。为了验证人工树突器件的计算功能,团队还将所研制的人工树突器件与基于导电细丝的突触器件、基于莫特(Mott)相变的胞体器件进行集成,构建了包括突触、树突、胞体三种重要计算单元的新型人工神经网络。实验结果显示,由于树突功能的引入,该网络在处理具有复杂背景噪声的街景门牌号(SVHN)数据集时,胞体的动态功耗降低30倍,网络的准确率提高8%以上,系统评估整体功耗比CPU降低3个数量级。未来通过器件、算法、电路、架构的协同创新与优化,有望进一步提高人工神经网络处理复杂时空任务的能力,构建更加智能化的低功耗神经网络。


    受生物启发制备的新原理树突器件,复现了生物树突对信号的非线性过滤、积分等功能。


    集成了突触、树突、胞体三种计算单元的新型人工神经网络,在SVHN数据集上验证了功耗和准确率上的显著优势。


    钱鹤、吴华强教授团队长期致力于基于忆阻器的存算一体芯片技术研究,从器件性能优化、工艺集成、电路设计及架构与算法等多层次实现创新突破,先后在《自然》(Nature)、《自然·电子》(Nature Electronics)、《自然·通讯》(Nature Communications)、《先进材料》(Advanced Materials)等顶级期刊以及国际电子器件会议 (IEDM)、国际固态半导体电路大会(ISSCC)等领域内顶级国际学术会议上发表多篇论文。


    清华大学微电子所吴华强教授是本论文的通讯作者,清华大学微电子所李辛毅博士、唐建石助理教授和张清天博士为论文的共同第一作者。该研究与清华大学医学院及脑与智能实验室宋森研究员、麻省理工学院杨建华教授、阿里巴巴达摩院谢源教授、加州大学圣芭芭拉分校邓磊博士等合作完成。清华大学的研究人员得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、北京市科委、北京信息科学与技术国家研究中心等支持。



    论文链接:

    https://www.nature.com/articles/s41565-020-0722-5







    材料学院尹斓课题组合作在

    柔性瞬态一氧化氮生物传感器方面取得重要进展


    6月25日,清华大学材料学院尹斓研究组通过设计制备新型柔性可降解、可无线控制和传输的电化学一氧化氮传感器,实现了从细胞、组织到生物活体的一氧化氮定量检测。该研究成果为临床上用于与一氧化氮相关疾病的健康评估、治疗优化和术后监测提供了新思路。相关成果在《自然•通讯》(Nature Communications)以“用于无线实时一氧化氮监测的柔性瞬态电化学传感器”(A flexible and physically transient electrochemical sensor for real-time wireless nitric oxide monitoring)为题发表。


    生理环境中一氧化氮(NO)浓度检测对于神经传递异常、身体炎症反应、心血管收缩/扩张等疾病的诊断和治疗至关重要。传统的一氧化氮检测方法依赖于间接比色测量或硬质不可降解的化学传感器,比色法测量不能提供实时持续监测结果,而硬质的化学传感器则与人体组织兼容性差且需要二次手术摘取植入物。


    本文提出了瞬态一氧化氮传感器的概念,设计及制备出可生物降解的柔性电化学传感器,成功实现对一氧化氮的检测。通过制备紧密结合的柔性可降解基底层、高稳定超薄纳米电极层和一氧化氮选择透过层,制备出响应迅速、探测灵敏、抗干扰能力强的柔性NO传感器件,同时传感器具有可降解特性,可被生物体安全代谢。


    柔性瞬态一氧化氮传感器结构示意图


    体外实验中,传感器可以实现从细胞到各种不同生物组织的一氧化氮释放行为探测。在植入体内后,通过无线传输系统可以远程监测到骨关节腔在炎症反应下的一氧化氮持续释放。这种柔性瞬态电化学传感器不仅解决了传统方法无法实现一氧化氮的连续实时测量的问题,还具有可生物降解、无需二次手术取出的显著优势。该研究为明确内源性一氧化氮的生理功能及其相关作用机制提供了新研究方法,也为柔性可降解生物传感器的设计和制备提供了新的思路。


    柔性瞬态传感器对软骨细胞及活体动物体内一氧化氮释放的实时监测


    清华大学材料学院副教授尹斓为本文通讯作者,材料学院博士后李嵘峰、北京创伤骨科研究所副研究员綦惠、清华大学电子系博士生马源以及材料学院博士生邓雨平为共同第一作者。合作者包括清华大学电子系副教授张沕琳、盛兴,北京市创伤骨科研究所副主任技师景金珠、主管技师杰永生,天津医科大学研究员张栩、副研究员何金龙等。本工作获得了国家自然科学基金、中国博士后基金、北京市自然科学基金以及清华大学自主科研基金的支持。



    论文链接:

    https://www.nature.com/articles/s41467-020-17008-8







    环境学院郝吉明院士团队发表综述论文

    介绍我国生态文明建设与大气污染控制的进展与挑战


    近期,清华大学环境学院郝吉明院士团队在中国工程院院刊《工程》(Engineering)发表综述文章,系统总结了我国在推动生态文明建设的进程中,在大气污染控制领域取得的进展与面临的挑战。


    随着社会经济的快速发展,我国在过去30年间先后面临了全球最严峻、最复杂和最难解决的酸雨、雾霾等区域大气复合污染问题。研究我国大气污染控制历程进行了系统回顾和总结,指出我国大气污染控制政策已经发生了从强调污染排放控制到重视空气质量持续改善(图1);今后在生态文明建设的视角下,应当进一步重视健康效益的改善,实现PM2.5和臭氧污染的共同改善,实现空气与气候效益协同,努力将社会经济发展和环境污染脱钩。


    图1  我国大气污染治理的关键历程和政策演变,包括燃煤和二氧化硫污染控制、氮氧化物排放控制和细颗粒物(PM2.5)污染控制


    1980年以来,我国南方、西南等省份出现了大范围酸雨污染。2006年前,全国降雨平均pH值持续降低,峰值年(2006年)全国约1/3的区域面临酸雨问题,严重程度与中欧地区1980年代相当。燃煤污染排放的二氧化硫和氮氧化物是造成酸雨污染的主因。我国1995年修订大气污染防治法强化酸雨和燃煤污染控制,2000年划分了“酸雨和二氧化硫控制区”(即“两控区”划分)。十一五期间,国家实施了二氧化硫总量排放控制政策,强化对地方政府落实二氧化硫减排责任的政治考核,并通过一系列经济和技术手段成功遏制二氧化硫排放上升的趋势,酸雨污染逐渐好转。


    2012年,我国修订《环境空气质量标准》,将对人体健康影响显著的细颗粒物(PM2.5)纳入监测指标。2013年,全国74个重点城市中仅3个城市能够满足PM2.5年均浓度限值。PM2.5污染来源和成因复杂,针对部分污染源和部分污染物(如二氧化硫、氮氧化物)的传统政策和措施已经不能满足空气质量改善的要求,必须多部门、多区域共同努力,实现多种前体物大幅度减排。在党中央的顶层设计下,国务院制定了《大气污染防治行动计划(2013-2017)》(即“大气十条”)。该《行动计划》是第一个由国务院直接制订的针对环境污染问题的大型行动计划,强化对燃煤源、工业源、移动源、扬尘源和居民源等多部门、多种污染前体物的排放控制。生态文明建设理念的提出,促使从中央到地方都感受到了更明确的改善目标,提供了更有力的政策激励,落实了更严格的控制措施。2013-2017年间,全国所有地级以上城市PM2.5年均浓度下降23%,京津冀、长三角和珠三角等三大区域分别削减了40%、34%和28%。


    尽管我国PM2.5污染治理取得了显著进展,我国生态文明建设仍然仍重道远,大气污染治理依然面临许多严峻挑战。2013-2017年间,全国74个主要城市臭氧(O3)日最高8小时浓度的90分位数上升了20%,京津冀地区则上升了24%。协同PM2.5和O3污染治理成为推动生态文明建设的一项必要工作,需要综合化学机制、气象条件等复杂因素,优化制定O3前体物减排的科学方案。从更大的视角来看,生态文明建设需关注社会经济发展对能源、环境、健康和气候等系统带来的多种挑战,协同PM2.5、O3、温室气体和非常规污染物(如汞)的治理;需要开发多系统耦合的决策支持模型,为我国积极应对大气污染与气候变化和持续推动生态文明建设提供理论和技术支持。


    该论文工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。清华大学环境学院郝吉明院士与王书肖教授为论文通讯作者,环境学院鲁玺副教授、张少君助理教授和邢佳副教授为论文共同第一作者。环境学院段雷教授、吴烨教授为论文合作作者。



    论文链接:

    https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809920301430?via%3Dihub







    化学系李亚栋课题组发表

    覆盖元素周期表的单原子位点催化剂合成策略

    并发现新型甲酸电氧化催化剂


    近日,清华大学化学系李亚栋院士和王定胜副教授团队在《自然·化学》(Nature Chemistry)发表题为“一种通用的主客体合成策略制备铱碳氮单原子位点催化剂用于甲酸氧化反应”(Iridium single-atom catalyst on nitrogen-doped carbon for formic acid oxidation synthesized using a general host–guest strategy)的重要成果该团队发展了一种覆盖周期表不同族金属单原子位点催化剂合成策略,从中发现了首例具有高效甲酸氧化性能的铱基单原子催化剂,并揭示了其表现出异常高效甲酸氧化性能的原因。


    金属单原子催化剂作为一类新颖的催化材料,不仅可以最大化金属原子利用效率,更因为其独特的电子和空间结构,有潜力表现出与体相材料截然不同的性质。这种性质差异性蕴含着发现新物质及其新性质的巨大机会。


    新材料的通用合成方法是挖掘其新性质的重要前提和基础。研究者发展了一种通用的主客体化学合成策略,用于合成多种氮掺杂碳负载的金属单原子位点催化剂(M1/ CN,M = Pt,Ir,Pd,Ru,Mo,Ga,Cu,Ni,Mn)。该方法基于主客体化学,在原位晶体生长的条件下,将金属前驱体封装在笼状的金属有机框架孔洞中,形成了金属前驱体在金属有机框架(ZIF)中的均匀分散的主客体结构,在随后的高温煅烧中,金属前驱体分解并被固载在ZIF衍生的碳氮基底上。


    主客体策略合成单原子位点催化剂示意图和铱单原子位点结构表征


    该方法具有相当的普适性,能够实现覆盖元素周期表中位于3d、4p、4p、5d的具有催化活性的各种金属单原子位点材料的合成。在这些材料中,研究者发现单原子材料对于甲酸电催化氧化反应(FAOR)表现出了不同于体相材料的性质。传统的Pd、Pt纳米颗粒是高效的FAOR催化剂,其单原子Pd1/CN和Pt1/CN却并不展示出可检测的甲酸氧化电流。而体相情况下几乎惰性的Ir颗粒,在其尺寸下降到单原子水平却表现出了极高的甲酸电氧化性能。


    主客体策略用于3d、4p、4p、5d区(Pt,Ir,Pd,Ru,Mo,Ga,Cu,Ni,Mn)单原子位点材料的合成


    循环伏安测量显示Ir1/CN的峰电流密度达到了12.9 A/mgIr,这个数值比Ir/C高了三个数量级(〜4.8×10-3A / mgIr),同时也达到16倍于商业Pd/C和19倍于商业Pt/C的水平。此外,Ir1/CN还表现出了前所未有的对CO抗中毒性。第一性原理密度泛函理论揭示了Ir1/CN的性质源于Ir位点的空间隔离及其独特的电子结构。本研究发现将金属纳米粒子缩小为单个原子可以带来传统上不具备的优异催化性能,开发了一类全新的FAOR催化体系,并为发现其他新型单原子材料的新性质奠定了基础。


    铱单原子位点催化剂的甲酸氧化性能表征和机理研究


    文章的通讯作者是清华大学化学系李亚栋院士和王定胜副教授,第一作者是化学系博士后李治、博士生陈远均和博士后冀淑方。本研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金和北京市科委项目的支持。课题组相关研究工作得到了清华大学理论化学中心、中科院物理所、北京化工大学、北京工业大学等单位的计算和技术支持。



    论文链接:

    https://www.nature.com/articles/s41557-020-0473-9


    来源:清华大学

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