科教大事

科教大事

Nature

一項(xiàng)持續(xù)了65年的研究

1946年，科學(xué)家開(kāi)始對(duì)英格蘭、威爾士和蘇格蘭在3月某一個(gè)星期生孩子的所有母親進(jìn)行一項(xiàng)研究，其目的是了解生育的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)成本。近65年之后，這項(xiàng)研究仍在進(jìn)行。1946年出生的孩子一直被跟蹤到成年，主要目的是研究?jī)和瘯r(shí)代的健康及一生的社會(huì)境況怎樣影響成年后的健康。這個(gè)星期，當(dāng)時(shí)的這組小孩慶祝他們65歲生日，這是很多英國(guó)人退休的年齡。所以現(xiàn)在，這項(xiàng)名為“全國(guó)健康與發(fā)育調(diào)查”的研究已成為一項(xiàng)關(guān)于衰老的研究。HelenPearson對(duì)1946年的這批人做了采訪，談到他們因參加這項(xiàng)研究而在科學(xué)上獲得了永生，并且對(duì)怎樣利用所積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

神經(jīng)元之間的連接與單細(xì)胞功能的聯(lián)系

由神經(jīng)回路進(jìn)行的功能計(jì)算的基礎(chǔ)是它們的連接，但要將神經(jīng)元之間的復(fù)雜結(jié)構(gòu)連接與各個(gè)細(xì)胞的功能聯(lián)系起來(lái)卻非常困難?，F(xiàn)在，兩個(gè)小組將功能成像與在前所未有規(guī)模上進(jìn)行的三維序列電子顯微圖像重建相結(jié)合，發(fā)表了小鼠視覺(jué)系統(tǒng)中單個(gè)細(xì)胞之間連接情況的詳細(xì)表述。“初級(jí)視皮層”中連接情況的研究發(fā)現(xiàn)抑制性神經(jīng)元從具有各種不同功能的興奮性細(xì)胞接收輸入（見(jiàn)本期封面圖片），這與根據(jù)對(duì)小鼠皮層最近進(jìn)行的生理研究所做預(yù)測(cè)是一致的。研究了方向敏感性視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)的選擇性是怎樣從它們與“無(wú)長(zhǎng)突細(xì)胞”的連接中的非對(duì)稱(chēng)性形成的。

原核細(xì)胞蛋白酶體調(diào)節(jié)亞基MecA-ClpC異六聚體結(jié)構(gòu)與功能

ATP依賴蛋白酶的可調(diào)控蛋白質(zhì)水解廣泛存在于大多數(shù)生命體中。細(xì)菌ClpC是Clp/Hsp100家族的重要成員，與該家族其它成員不同的是，ClpC的六聚體形成及其進(jìn)一步的激活需要接頭蛋白MecA的參與。利用ATP水解的能量，激活后的六聚體MecA-ClpC分子能夠去折疊特異性蛋白質(zhì)底物，并將生成的去折疊多肽鏈轉(zhuǎn)運(yùn)到ClpP中降解。但是，MecA如何介導(dǎo)ClpC形成六聚體并激活ClpC的分子機(jī)制一直都沒(méi)有明確的解釋。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組首次解析了枯草芽孢桿菌內(nèi)蛋白酶體調(diào)節(jié)亞基MecA-ClpC復(fù)合物的三個(gè)相關(guān)晶體結(jié)構(gòu)，揭示了六聚體MecA-ClpC復(fù)合物的組裝方式，闡明了MecA介導(dǎo)ClpC激活的分子機(jī)理，并提供了MecA-ClpC執(zhí)行功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)揭密其它Clp/Hsp100分子機(jī)器的組裝方式也有很好的借鑒作用，并且為研究真核生物內(nèi)更為復(fù)雜的泛素－蛋白酶體系統(tǒng)提供了方法論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

黑色素瘤中的癌基因BRAF和SETDB1

攜帶黑色素瘤病人最常見(jiàn)突變基因（癌基因BRAF(V600E)）的轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)提供了一個(gè)研究黑色素瘤的簡(jiǎn)便模型。本期刊登了LeonardZon及其同事的兩篇關(guān)于該模型在癌基因和藥物研發(fā)的應(yīng)用前景。Ceol等人篩選了與突變BRAF基因協(xié)作的基因，在人類(lèi)黑色素瘤中頻繁擴(kuò)增額度區(qū)域發(fā)現(xiàn)了具有加速黑色素瘤形成能力的SETDB1基因。該基因產(chǎn)物是一種在黑色素瘤中常過(guò)表達(dá)的組氨酸甲基化酶。因此，SETDB1是重要的致癌基因。White等人在神經(jīng)嵴細(xì)胞分化被中止的黑色素瘤易感型斑馬魚(yú)胚胎中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基因標(biāo)簽的表達(dá)?；瘜W(xué)篩選發(fā)現(xiàn)一種用于治療類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的藥物來(lái)氟米特（leflunomide）是一種神經(jīng)嵴干細(xì)胞的抑制因子。來(lái)氟米特具有抗黑色素瘤的能力，并可能成為一種抗癌藥，尤其可能成為與BRAF抑制子聯(lián)合使用的抗癌藥。本期封面：黑色素細(xì)胞表達(dá)了SETDB1和BRAF-V600E基因的斑馬魚(yú)。

Science

動(dòng)力蛋白馬達(dá)結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)

本期封面藝術(shù)呈現(xiàn)了沿微管移動(dòng)的動(dòng)力馬達(dá)蛋白，該圖基于Carter報(bào)道的動(dòng)力蛋白馬達(dá)結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)。Carter的研究揭示了驅(qū)動(dòng)纖毛擺動(dòng)和胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)器的結(jié)構(gòu)，初步解釋了三磷酸腺苷水解能量轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。

統(tǒng)計(jì)阿富汗的死亡人數(shù)

北大西洋公約組織領(lǐng)導(dǎo)的阿富汗軍事聯(lián)盟公布了平民傷亡的內(nèi)部數(shù)據(jù)。本期封面是這些數(shù)據(jù)的可視化，在2009年1月（底部，接近地圖）至2010年12月（頂部）期間，阿富汗的月死亡人數(shù)不斷上升。在這段時(shí)間內(nèi)，2537名平民被殺死（大點(diǎn)），5594名平民受傷（小點(diǎn)），以顏色編碼區(qū)分被武器和犯罪行為的平民。圖片由GeorgeMichaelBrower根據(jù)JohnBohannon的理念創(chuàng)作。

CN自由基H原子抽提的振動(dòng)量子態(tài)特異反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

溶劑碰撞常掩蓋了化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物能量的初生態(tài)。利用瞬間紅外吸收光譜提供皮秒時(shí)間解析度的二氯甲烷溶劑中CN自由基與環(huán)己烷反應(yīng)的圖譜。初生態(tài)產(chǎn)物HCN呈現(xiàn)出一個(gè)量子的C-H伸展及大到兩個(gè)量子彎曲。時(shí)間尺度在100至300皮秒間，HCN產(chǎn)物通過(guò)與溶劑結(jié)合而經(jīng)歷了從松弛態(tài)至振動(dòng)基態(tài)。本期封面是二氯甲烷溶劑（背景）中CN自由基與環(huán)己烷（分別以綠-藍(lán)和綠-黑球棒結(jié)構(gòu)表示）。圖片：英國(guó)布里斯托大學(xué)化學(xué)學(xué)院DavidR. Glowacki提供。

揭示納米晶銅中超凡本征拉伸塑性

納米金屬材料（即晶粒尺寸在納米尺度的多晶金屬）是一種典型的高強(qiáng)材料，其強(qiáng)度比普通金屬高一個(gè)量級(jí)，但其幾乎沒(méi)有拉伸塑性。如何提高納米金屬的塑性和韌性成為近年來(lái)國(guó)際材料領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大科學(xué)難題。最近，中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室盧柯研究組在這一科學(xué)難題研究方面取得重要突破。他們發(fā)現(xiàn)，梯度納米（GNG）金屬銅既具有極高的屈服強(qiáng)度又具有很高的拉伸塑性變形能力。這種兼?zhèn)涓邚?qiáng)度和高拉伸塑性的優(yōu)異綜合性能為發(fā)展高性能工程結(jié)構(gòu)材料開(kāi)辟了一條全新的道路。梯度納米結(jié)構(gòu)是指晶粒尺寸在空間上呈梯度分布。這種梯度納米結(jié)構(gòu)的厚度可達(dá)數(shù)百微米。梯度納米結(jié)構(gòu)層具有很高的拉伸屈服強(qiáng)度，最外表層50nm厚梯度納米結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度高達(dá)660MPa（是粗晶銅的10倍），室溫拉伸實(shí)驗(yàn)表明，具有梯度納米結(jié)構(gòu)的表層在拉伸真應(yīng)變高達(dá)100%時(shí)仍保持完整未出現(xiàn)裂紋，表明其拉伸塑性變形能力優(yōu)于粗晶銅。這種優(yōu)異的塑性變形能力源于梯度納米結(jié)構(gòu)獨(dú)特的變形機(jī)制，微觀結(jié)構(gòu)研究表明，梯度納米結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中其主導(dǎo)變形機(jī)制為機(jī)械驅(qū)動(dòng)的晶界遷移，從而導(dǎo)致伴隨的晶粒長(zhǎng)大。這種變形機(jī)制與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、孿生、晶界滑移或蠕變等傳統(tǒng)的材料變形機(jī)制截然不同。

聲整流器

程建春 教授 南京大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)研究所

聲音信號(hào)探測(cè)可以應(yīng)用于醫(yī)療診斷等眾多領(lǐng)域。然而，雖然電流和熱通量等其他能量形式的整流器已被證明，但是聲整流器卻至今仍未被實(shí)現(xiàn)。基于“聲二極管”較早期理論主張，我們首次實(shí)驗(yàn)證明了聲波的整流能量通量。通過(guò)超聲造影劑微泡與超晶格組合制造出一維聲整流器。在雙頻波段顯著地觀測(cè)到與理論預(yù)測(cè)很好吻合的整流效應(yīng)。在微泡懸浮的最佳濃度下，整流率可高達(dá)近1萬(wàn)倍。聲整流器的實(shí)現(xiàn)具有相當(dāng)?shù)膶?shí)際意義，如在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的超聲聚焦。

——摘自《NATURE MATERIALS》

飛秒激光直接琢刻實(shí)現(xiàn)可設(shè)計(jì)的3D納米制造

孫洪波 教授 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院

我們建立起飛秒激光直接琢刻（FemtosecondLaserDirectWriting, FsLDW）作為分子打印機(jī)，用以實(shí)現(xiàn)科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域過(guò)去不可能完成的操作，因其獨(dú)一無(wú)二的三維處理能力、可設(shè)計(jì)任意形狀、納米級(jí)的高制造精度、遠(yuǎn)超光衍射限制。我們簡(jiǎn)要評(píng)述了實(shí)現(xiàn)超高空間解析和平滑度的深層機(jī)制，并進(jìn)一步討論了目前正在開(kāi)發(fā)的FsLDW的規(guī)則和光化學(xué)策略。最后，我們介紹了微電子、微機(jī)械、微光學(xué)和微流體領(lǐng)域具體的納米成型方法的應(yīng)用。

——摘自《NANO TODAY》

銅催化的N-和O-芳基化反應(yīng)的配體依賴性選擇替代機(jī)制的解釋

傅堯 教授 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系

帶有鄰菲羅啉配體銅-碘復(fù)合物催化的胺醇與碘苯的烏爾曼型反應(yīng)中依賴配體的選擇性機(jī)制被單電子轉(zhuǎn)移和碘原子轉(zhuǎn)移機(jī)制。我們研究表明選擇性、氧化加成/還原消去機(jī)制也可以解釋選擇性。計(jì)算表明帶有鄰菲羅啉配體銅-碘復(fù)合物是電中性的，在胺醇溶液中芳苯基傾向于氧化加成到銅-碘復(fù)合物上。因此，胺醇協(xié)同僅發(fā)生在三價(jià)銅階段，氮協(xié)同優(yōu)先于氧協(xié)同，協(xié)同步驟是速度限制階段。另一方面，銅-碘復(fù)合物帶正電荷，芳苯基的氧化加成到帶有鄰菲羅啉配體的銅-碘復(fù)合物必須得到去質(zhì)子化的胺醇底物的協(xié)助。這種情況下，氧化加成成為限速步驟。氧化加成的中間產(chǎn)物經(jīng)歷了輕微的還原消除。由于在氧化加成的過(guò)渡態(tài)去質(zhì)子化的胺醇的氧協(xié)同優(yōu)先氮協(xié)同，因此O-芳苯基更傾向于與鄰菲羅啉配體反應(yīng)。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

碳和氮化硼納米管的近自由電子超原子態(tài)

楊金龍 教授

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

依賴第一性原理（First-principlesTheory）我們研究了碳和氮化硼納米管的近自由電子（NearlyFreeElectron，NFE）態(tài)以及著名的pi*帶，研究發(fā)現(xiàn)了一系列軸上空間分布相似的一維NFE帶，其上原子軌道在水平面上重組。這些帶是最近發(fā)現(xiàn)的富勒烯的超原子及先前表到的低能NFE態(tài)的一維對(duì)應(yīng)體。我們發(fā)現(xiàn)這些類(lèi)納米管態(tài)的原子源于多體掃描。我們利用短程交換關(guān)聯(lián)結(jié)合長(zhǎng)程庫(kù)侖作用的模型勢(shì)重建了密度方程理論計(jì)算得到的NFE狀態(tài)的能量和徑向波方程。當(dāng)納米管半徑超過(guò)NFE態(tài)的徑向幅度，NFE態(tài)能量匯集了母代2D分子片層的像勢(shì)態(tài)的能量。為探究納米管構(gòu)件NFE特性在分子電子學(xué)領(lǐng)域的可能應(yīng)用，我們研究了橫向電場(chǎng)、堿金屬封裝及橫向和同心管二聚體的NFE態(tài)修改。

——摘自《NANO LETTERS》

對(duì)映體選擇性銅催化的分子內(nèi)O-H鍵插入：一種合成手性2-羧基環(huán)醚的有效方法

周其林 教授 南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院

我們通過(guò)手性二惡唑啉配體實(shí)現(xiàn)了銅催化的手性分子內(nèi)O-H鍵插入omega-羥基-alpha-重氮甲酸酯。高度對(duì)映體選擇性分子內(nèi)O-H鍵插入提供了一種不同大小和取代基的手性2-羧基環(huán)醚合成的有效方法。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

石墨稀上用于汞探測(cè)的自組裝十八硫醇單片層

方英 研究員 國(guó)家納米科學(xué)中心

我們研究了十八硫醇表面修飾石墨稀及其作為重金屬傳感器的應(yīng)用。在忽略石墨稀表面由于底層非晶質(zhì)二氧化硅介質(zhì)基座產(chǎn)生的粗糙的情況下，烷醇分子可以在單層石墨稀表面自組裝成大尺度的高度有序的單片層。原子解析度的掃描隧道顯微鏡拍攝的二氧化硅基座上的修飾石墨稀片層圖像展示了自主裝結(jié)構(gòu)的詳細(xì)特征。含有十八硫醇石墨稀的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以成功用于10ppm級(jí)探測(cè)二價(jià)汞。

——摘自《NANO LETTERS》

超疏水棉布的洗滌耐久性

李景燁 研究員 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所

利用同步輻射誘導(dǎo)接枝聚合技術(shù)將商品化的含氟丙烯酸酯附在棉布上，我們制成了超疏水的棉布。超疏水的棉布表現(xiàn)出很好的洗滌耐久性，即使反復(fù)快速洗滌50次（相當(dāng)于250次商業(yè)洗滌或家庭洗滌）仍能保持很好的超疏水特性。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光二極管的最新進(jìn)展

黃維 教授 南京郵電大學(xué)

近年來(lái)，有機(jī)發(fā)光二極管（OrganicLight-emittindiodes，OLEDs）因其獨(dú)一無(wú)二的特性和在平板顯示領(lǐng)域的應(yīng)用前景而得到了快速發(fā)展。頂發(fā)射OLEDs最顯著的優(yōu)勢(shì)在于可以支持開(kāi)發(fā)高解析度和大孔徑比的大型顯示屏和微顯示。在簡(jiǎn)短地介紹了頂發(fā)射OLEDs的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型之后，我們?cè)敿?xì)地描述了頂發(fā)射OLEDs典型使用的微腔理論。然后，概述并討論了制造單色（紅、綠和藍(lán)）和白色頂發(fā)射OLEDs的方法。最后，簡(jiǎn)要闡述了基于頂發(fā)射OLEDs的顯示技術(shù)的未來(lái)發(fā)展。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

基于納米絲的生物燃料電池為自供電納米設(shè)備提供電力

朱靜 科學(xué)院院士 清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系

我們報(bào)道了一種基于單個(gè)質(zhì)子導(dǎo)電聚合物納米線的納米絲基生物燃料電池，可利用葡萄糖氧化酶和乳糖酶作為催化劑將葡萄糖/血液等生物流體的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電流。葡萄糖從生物流體中補(bǔ)充，納米絲作為質(zhì)子導(dǎo)體，整個(gè)電池僅為納米或微米大小。由納米絲組成的生物燃料電池可產(chǎn)生0.5-3muW的輸出電力，可組裝一組電池為納米級(jí)傳感器提供電力。我們展示了建造用于生物科學(xué)、環(huán)境控制和國(guó)防以及個(gè)人電子設(shè)備的自供電納米設(shè)備的可行性。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

鑭系金屬框架取代的MCM-22沸石：合成與特性

王軍 教授 南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

通過(guò)在中/弱酸性基質(zhì)中共水解和縮合酸乙酯和鑭系金屬鹽類(lèi)，然后切換到合成凝膠水熱晶化的基本條件，將鈰（Ce）和鑭（La）整合入MCM-22沸石框架中。在正庚烷加氫異構(gòu)反應(yīng)中Ce（La）-MCM22作為催化載體表現(xiàn)出明顯地促進(jìn)效應(yīng)。我們互補(bǔ)表征、催化劑測(cè)試、浸漬比較和離子交換配對(duì)等方法證明鑭系堿金框架取代。新合成策略勾畫(huà)出未來(lái)生產(chǎn)其它型雜原子分子篩的藍(lán)圖。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

硅納米管熱導(dǎo)率顯著下降

張剛 研究員 北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院

我們通過(guò)在硅納米絲中部加入一個(gè)小洞來(lái)降低納米絲的熱導(dǎo)率，如構(gòu)建一個(gè)納米管。我們計(jì)算結(jié)果表明一個(gè)很小的洞（僅減少了1%的橫截面積）可產(chǎn)生35%熱導(dǎo)率下降。在室溫條件下，相同橫截面積的納米管的熱導(dǎo)率僅為納米絲的33%。振動(dòng)能量空間分布揭示定域模流主要集中在納米管內(nèi)外表面。提高硅納米管表面積/體積比降低了決定熱導(dǎo)率降低的非定域模流的百分比。我們研究顯示，硅納米管是一種理想的低熱導(dǎo)率的熱電材料。

——摘自《NANO LETTERS》

單納米絲電化學(xué)設(shè)備

麥立強(qiáng) 教授 武漢理工大學(xué)

我們提出了一種新穎的單納米絲電極設(shè)備用于原位探測(cè)鋰離子電池設(shè)備電容衰減的內(nèi)在原因。該設(shè)備以單釩氧化物納米絲或單Si/a-Si核/殼納米絲為電極，原位記錄充放電期間單納米絲的電子轉(zhuǎn)移，以探測(cè)納米絲的演化。我們的研究工作為單納米絲電極的電子轉(zhuǎn)移和結(jié)構(gòu)與電化學(xué)特性提供了直接的聯(lián)系，該方法將有望成為納米電池診斷的前沿策略。

——摘自《NANO LETTERS》