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來源｜Nature、東北大學(xué)、上海交通大學(xué)、求是風(fēng)采、iNature

9月13日，東北大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、香港城市大學(xué)分別在Nature發(fā)表最新研究成果。

1、東北大學(xué)繼Science之后，100年校慶前夕再現(xiàn)Nature突破！

2023年1月13日，Science以長文（Research Article）形式在線發(fā)表了東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王國棟院士/袁國教授研究團(tuán)隊在超高強(qiáng)鋼鐵材料增塑機(jī)制及組織創(chuàng)新設(shè)計方面的最新研究成果“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”，是東北大學(xué)首次以第一完成單位在Science上發(fā)表文章。

2023年9月16日，東北大學(xué)將舉行百年校慶盛典。9月13日，Nature在線發(fā)表了東北大學(xué)左良教授團(tuán)隊、秦高梧教授團(tuán)隊與中國科學(xué)院金屬研究所陳星秋研究員團(tuán)隊的合作研究結(jié)果，論文題目為“Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation”。該論文第一作者為東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院/材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊波副教授，通訊作者為左良教授。

受人口增長、環(huán)境污染以及氣候變化等因素的影響，淡水資源短缺問題日益嚴(yán)峻。根據(jù)全球水資源經(jīng)濟(jì)委員會最新研究報告，到2030年全球淡水供應(yīng)短缺將達(dá)到40%。鑒于70%以上的地球表面被海洋覆蓋，海水淡化無疑是破解這一急迫問題的最有效策略。近年來，科研人員致力探索基于光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)技術(shù)，其在減輕化石能源消耗與環(huán)境污染壓力、保障清潔水資源安全供給方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

獲取具有寬吸收譜、高吸收率的光熱轉(zhuǎn)換材料，是將太陽能高效轉(zhuǎn)換為熱能需要解決的首要問題。該研究從光與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)出發(fā)，通過第一性原理計算和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，亞氧化鈦（TinO2n-1）中存在的Ti-Ti二聚體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致Ti-3d電子在實(shí)空間的局域化，并在費(fèi)米能級附近引入平帶電子態(tài)，從而增強(qiáng)電子躍遷的聯(lián)合態(tài)密度。如圖1所示，金屬性λ-Ti3O5在費(fèi)米能級附近較寬的能量范圍存在源于Ti-3d軌道的多重平帶電子態(tài)，使得其在全太陽光譜范圍內(nèi)呈現(xiàn)出96.4%的吸光率。

圖1. a，λ-Ti3O5晶體結(jié)構(gòu)及Ti-Ti二聚體；b，λ-Ti3O5能帶結(jié)構(gòu)與電子態(tài)密度；c-e，λ-Ti3O5在不同波長光照下電子躍遷示意圖（c-紫外，d-可見，e-近紅外）；f，Ti4O7、β-Ti3O5和λ-Ti3O5實(shí)測反射光譜

利用第一性原理分子動力學(xué)模擬研究發(fā)現(xiàn)（圖2），λ-Ti3O5最穩(wěn)定的表面上的Ti-Ti二聚體能夠?qū)⒆畛趸瘜W(xué)吸附的部分水分子分解為羥基（-OH）和氫（H），且二者分別與λ-Ti3O5表面Ti原子和O原子結(jié)合，導(dǎo)致λ-Ti3O5表面羥基化；此外，該表面特殊的U型槽結(jié)構(gòu)能夠促使快速的質(zhì)子交換，使得羥基化表面上物理吸附的水分子層中易于形成亞穩(wěn)的H3O*單元，可弱化含H3O*的水分子團(tuán)簇與其周圍水分子之間的氫鍵作用。結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從本質(zhì)上揭示了λ-Ti3O5表層水分子在光照條件下以團(tuán)簇形式蒸發(fā)的機(jī)制，革新了水以單分子形式蒸發(fā)的傳統(tǒng)認(rèn)知。

圖2. a，λ-Ti3O5（11 ?0）表面的U型槽結(jié)構(gòu)；b-e，水分子在λ-Ti3O5（11 ?0）表面的吸附和分解第一性原理分子動力學(xué)模擬；f-g，水分子在λ-Ti3O5（11 ?0）表面分解的能壘計算（f-表面吸附1個水分子，g-表面吸附2個水分子）；h， λ-Ti3O5（11 ?0）表面不同水層中的氫鍵長度分布

基于上述理解，將光熱轉(zhuǎn)換材料λ-Ti3O5與聚乙烯醇（PVA）混合，制作出了三維多孔連通結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器，在1個太陽光照條件下（1 kW m-2）獲得了高達(dá)6.09 kg m-2 h-1的水蒸發(fā)速率，創(chuàng)造了長時間工作且無鹽分析出的太陽能驅(qū)動光熱水蒸發(fā)速率的新紀(jì)錄（圖3a，b）。進(jìn)一步設(shè)計了戶外海水淡化和淡水收集裝置，置于東北大學(xué)南湖校區(qū)戶外自然光照時的平均日收集淡水量達(dá)到23 L m-2 day-1（圖3c-e），展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

圖3. a，λ-Ti3O5-PVA三維多孔連通結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率；b，不同光熱轉(zhuǎn)換材料蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率與光-氣轉(zhuǎn)換效率比較; c，戶外海水淡化裝置；d，太陽光能量、淡水收集速率和收集淡水總量隨時間變化；e，日平均光通量和淡水收集速率

該工作發(fā)現(xiàn)Ti原子二聚體化引入的多重平帶電子態(tài)，據(jù)此提出了平帶光熱轉(zhuǎn)換材料的新概念，研發(fā)出了全太陽光譜高吸收、低反射的λ-Ti3O5光熱轉(zhuǎn)換材料；結(jié)合三維多孔連通結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器設(shè)計，創(chuàng)造了光熱水蒸發(fā)速率的世界紀(jì)錄。研究結(jié)果為不僅設(shè)計開發(fā)高效光熱轉(zhuǎn)換材料提供了新的思路，而且為利用太陽能驅(qū)動海水淡化以及工業(yè)廢水節(jié)能化處理提供了新的策略。

東北大學(xué)分析測試中心和中國科學(xué)院金屬研究所分析測試中心在實(shí)驗(yàn)工作中提供了幫助。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06509-3

2、上海交大Nature發(fā)文，在DNA計算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/變革性分子前沿科學(xué)中心樊春海院士與王飛副教授近期發(fā)展了一種支持通用性數(shù)字計算的DNA可編程門陣列（DNA-based programmable gate array, DPGA），可通過分子指令編程的方式實(shí)現(xiàn)通用數(shù)字DNA計算，實(shí)現(xiàn)了無衰減大規(guī)模液相分子電路的構(gòu)建。該成果于9月13日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

1994年，圖靈獎得主Adleman提出利用DNA的堿基互補(bǔ)配對原則來發(fā)展生物計算。自那以后，基于DNA分子間相互作用的液相DNA分子計算，已在高并行編碼與執(zhí)行算法方面展現(xiàn)出巨大的潛能。此前，研究者利用DNA分子反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞自動機(jī)、邏輯電路、決策機(jī)器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種功能。然而，現(xiàn)有的DNA計算體系僅能針對特定功能進(jìn)行硬件定制。而在電子計算機(jī)領(lǐng)域，通用性集成電路（如FPGA）可通過軟件編程的方式執(zhí)行各種運(yùn)算功能，而無需從頭設(shè)計制造硬件，這為研發(fā)計算機(jī)器提供了高階平臺。因此，如何發(fā)展具有通用性的DNA運(yùn)算元件的編程與集成已成為制約DNA計算領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。

針對這一挑戰(zhàn)性問題，研究團(tuán)隊首先證明了利用單鏈DNA作為統(tǒng)一傳輸信號（DNA-UTS），可實(shí)現(xiàn)類似電子在電路中傳輸?shù)墓δ?/strong>。進(jìn)而，開發(fā)了一種支持通用性數(shù)字計算的DPGA，并支持器件層次的多DPGA集成，實(shí)現(xiàn)了器件內(nèi)的可編程性和器件間可集成性。如（圖1），當(dāng)電路的復(fù)雜度超出單個DPGA可執(zhí)行規(guī)模時，DPGA可分解為多個子任務(wù)，并生成對應(yīng)的分子指令；每一個子電路的分子指令通過邏輯地址調(diào)用并連接參與運(yùn)算的DNA元件，實(shí)現(xiàn)DPGA的編程；子電路之間的信號傳輸則通過DNA折紙寄存器介導(dǎo)的多DPGA布線實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)器件級的多DPGA集成。

圖1

利用DPGA的可編程性與高集成度，本研究突破了DNA分子計算在電路規(guī)模和電路深度的瓶頸，首次在實(shí)驗(yàn)上展示了高達(dá)30個邏輯元件、500條DNA鏈，包含30層DNA鏈取代反應(yīng)的電路規(guī)模。這也代表了近20年來DNA計算領(lǐng)域的新突破（圖2）。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)DNA-UTS在跨越多個DPGA傳輸?shù)倪^程中沒有顯著衰減，證明了DPGA的高度可擴(kuò)展性。這預(yù)示著任何實(shí)際問題，理論上都可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過DNA-UTS接入DPGA電路。本研究中概念性展示了將DPGA作為為分子診斷中的信息處理核心，對疾病相關(guān)的分子靶標(biāo)進(jìn)行非線性分類。

圖2

這項工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委、新基石科學(xué)基金會等項目的資助。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06484-9

3、浙江大學(xué)Nature：一片水凝膠，做一個定時開機(jī)的“變形金剛”

變形在我們生活中隨處可見，有的一觸即發(fā)，有的循序漸進(jìn)。來自浙江大學(xué)的學(xué)者創(chuàng)造了一種新的變形方式：在觸發(fā)條件下，“變形金剛”先要“休眠”一段時間再啟動變形，“休眠期”的長短由人為調(diào)控，就像安裝了定時器。實(shí)際上，整個“變形金剛”只是一塊成分均一的水凝膠，和我們吃的果凍和豆腐屬于一個大家族。

簡單的材料是如何做到定時響應(yīng)的？9月13日上線的Nature雜志上?(Shape memory polymer with programmable recovery onset)，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院的謝濤教授和趙騫教授團(tuán)隊對其變形機(jī)理進(jìn)行了深入闡述。研究團(tuán)隊認(rèn)為，這類定時變形效應(yīng)有望在深空深海、生物工程等領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特的作用。因?yàn)樵谠S多場合中，“定時響應(yīng)”是比“即時響應(yīng)”更優(yōu)的解決方案。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06520-8

4、清華大學(xué)Nature：對抗蚜蟲和病毒

2023年9月13日，清華大學(xué)劉玉樂團(tuán)隊在Nature?在線發(fā)表題為“Molecular basis of methyl-salicylatemediated plant airborne defence”的研究論文，該研究揭示了水楊酸甲酯(MeSA)、水楊酸結(jié)合蛋白-2 (SABP2)、轉(zhuǎn)錄因子NAC2和水楊酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶-1 (SAMT1)形成的一個信號通路，用以介導(dǎo)AD對抗蚜蟲和病毒。空氣中的MeSA被鄰近植物中的SABP2感知并轉(zhuǎn)化為水楊酸。然后水楊酸引起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)，激活NAC2-SAMT1模塊進(jìn)行MeSA生物合成，誘導(dǎo)植物抗蚜免疫，減少病毒傳播。為了對抗這種情況，一些蚜蟲傳播的病毒編碼含有解旋螺旋蛋白的蛋白，通過與NAC2相互作用來亞細(xì)胞重定位和破壞NAC2的穩(wěn)定，從而抑制AD。因此，植物對蚜蟲的排斥程度降低，更適合蚜蟲的生存、侵染和病毒傳播。該研究揭示了AD和蚜蟲-病毒共同進(jìn)化的機(jī)制基礎(chǔ)，證明AD是一種潛在的生物激勵策略來控制蚜蟲和病毒。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06533-3

5、香港城市大學(xué)報道具有高相純度的MoS2納米片的生產(chǎn)

2023年9月13日，香港城市大學(xué)Hua Zhang、英國倫敦帝國理工學(xué)院Anthony R. J. Kucernak共同通訊在Nature?在線發(fā)表題為“Phase-dependent growth of Pt on MoS₂?for highly efficient H₂?evolution”的研究論文，該研究報道了具有高相純度的MoS₂納米片的生產(chǎn)，并表明2h相模板促進(jìn)了Pt納米顆粒的外延生長，而1T ‘相支持單原子分散的Pt (s-Pt)原子，Pt負(fù)載高達(dá)10 wt%。研究發(fā)現(xiàn)，在s-Pt/1T′-MoS₂體系中，Pt原子占據(jù)三個不同的位置，密度泛函理論計算表明，位于Mo原子頂部的Pt原子的氫吸附自由能接近于零。這可能有助于在酸性介質(zhì)中有效的電催化氫氣析出，其中測量了s-Pt/1T’-MoS₂在-50 mV過電位下的質(zhì)量活性為85±23 a mg_Pt^-1，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化交換電流密度為127 a mg_Pt^-1，看到H型電池和原型質(zhì)子交換膜電解槽在室溫下運(yùn)行時的穩(wěn)定性能。雖然相穩(wěn)定性的限制阻礙了高溫下的操作，但預(yù)計1T ‘ -TMDs也將有效支持其他催化劑針對其他重要反應(yīng)。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06339-3

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