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来源： 发布时间：2021-10-13
Nature
无序硅中结构转变和电子跃迁的起源
Nature封面：原子洞察力。Nature杂志第7840期封面文章报道了无序硅中结构转变和电子跃迁研究进展。非晶硅在高压下的丰富相行为已经得到了广泛研究，以期更好地从整体上理解结构无序材料。但是，研究人员一直难以理解这些行为的机制。Volker Deringer及其同事们研究发现，用于模拟加压非晶硅的原子机器学习模型能帮助阐明这些行为机制，该研究模型能够覆盖实验中遇到的所有结构转变。文章称此类计算方法有望为涉及高难度实验条件的预测性材料建模开辟应用前景。
光子雪崩纳米粒子可产生巨大的非线性光学响应
Nature封面：光子雪崩。Nature杂志第7841期封面文章报道了一种非线性光学效应光子雪崩。当某种材料受光照超过一定的阈值光强时，材料就会发出不成比例的大量光子，也就是光子“雪崩”。迄今为止，这种现象只在块体材料和聚集体中观察到过。研究表明，铥离子掺杂的纳米晶体可以单独形成光子雪崩。研究人员在单光束、超分辨率成像中使用了他们的纳米晶体，达到了70纳米以下的空间分辨率。研究团队指出，他们的雪崩纳米粒子或在亚波长成像、光学与环境传感、神经形态计算方面具有应用前景。
蓝色喷流进入平流层的观测研究
Nature封面：从国际空间站看到的蓝色喷流（blue jet）艺术示意图。Nature杂志第7842期封面文章报道了国际空间站上一设备对蓝色喷流的观测结果。蓝色喷流是一类闪电，能从雷暴云顶部向上进入平流层。这些喷流的持续时间不到一秒，尚未得到充分表征，形成过程也仍有争议。研究人员利用该设备对这类事件的无遮挡观测，发现了一个从一道云顶明亮蓝色闪光开始的蓝色喷流，持续时间约10微秒。根据研究团队的分析，这道闪光可能与启动云内闪电的无线电波的负窄双极性脉冲是光学等效的。
利用在线求职平台监测招聘中的歧视现象
Nature封面：招聘中的种族歧视。Nature杂志第7843期封面文章报道了一种量化招聘歧视的方法，该方法能追踪招聘单位在求职网站上的搜索行为，并用机器学习控制招聘单位能看到的求职者特征。研究人员在瑞士的一个求职平台上测试了这项技术，发现移民和少数族裔候选人比来自主体族裔的同等候选人被联系次数要少4%～19%。研究团队还发现，在男性占主导的职业中，女性被联系次数要少7%，在女性占主导职业中也发现了与此相反的趋势。文章认为，此项工具能以高成本效益、非侵入的方式持续监测并减少招聘中的歧视现象。
（本页期刊封面图来自Nature官网）
Science
阿雷西博望远镜的设备平台倒塌
Science封面：20世纪80年代后期俯视波多黎各阿雷西博天文台305米宽的无线电天线。Science杂志第6526期封面文章报道了阿雷西博望远镜倒塌的故事。2020年8月10日，一根支撑着900吨重仪表平台的钢索在碟形盘上方断裂并坠毁。第二条支撑电缆在11月6日断裂。11月19日，美国国家科学基金会宣布阿雷西博望远镜将退役，并以可控方式拆除。但拆除计划尚在进行中，12月1日，望远镜设备平台就已倒塌。阿雷西博望远镜是科幻片《超时空接触》以及007电影《黄金眼》取景地。随后，研究人员宣布了在同一地点建造一个耗资4亿美元的望远镜的计划。
喷毒眼镜蛇致痛防御毒液成分的趋同进化
Science封面：一些眼镜蛇，如莫桑比克喷毒眼镜蛇（Naja mossambica），利用吐毒液作为一种有效的远程防御机制。Science杂志第6527期封面文章报道了在防御选择驱动下发生跨多种表型水平的趋同演化。蛇的毒液主要用来制服或杀死猎物，大多数毒液都有明显的作用，例如导致死亡或瘫痪。然而，有一种蛇的毒液已经进化，从捕食变成了保护。具体来说，在“吐痰”（喷毒）蛇的3个不同谱系中，毒液用于威慑捕食者。Kazandjian等人的研究表明，在这些谱系中也发生了类似的变化，将细胞毒性成分转化为作用于哺乳动物感觉神经元并引起疼痛的混合物。
裸鼹鼠群落特有的方言
Science封面：裸鼹鼠（Heterocephalus glaber）。Science杂志第6528期封面文章报道了声音方言在裸鼹鼠群体中的文化传播。裸鼹鼠的问候叫声、柔和的啁啾声，可以用来交流社会成员身份，这一发现可能有助于阐明社会交流机制。Barker等人的研究显示，与其他啮齿类动物不同的是，裸鼹鼠几乎失明，高度社交化，但又排外。它们有一种群体特有的打招呼声，一种柔和的唧唧声。这是裸鼹鼠在生命早期习得的，有助于识别群体成员，从而有助于保持群体的凝聚力。这种柔和的啁啾信号似乎是由女族长或“女王”调制的。
20岁的人类基因组
Science封面：人类基因组序列发表20年。Science杂志第6529期特刊报道了两个研究小组在《科学》和《自然》杂志上发表了人类基因组的第一份草图20年后，人类染色体中嵌入的复杂代码已经改变了研究、医学和我们对自己的概念。人类基因组计划（HGP）是一个国际支持的公共项目，它于1990年启动。DNA测序的高通量技术对该项目的成功至关重要。不断增加的序列数据推动了相关学科和计算工具的发展。Lara Choksey在她的新书《基因组时代的叙事》中写道：“如果双螺旋是现代时代的标志，那么基因组就是现代最后的宏大叙事之一”。
（本页期刊封面图来自Science官网）
物理前沿
新型成像技术观测三维亚细胞毫秒尺度活动的小时级长时活体
清华大学戴琼海院士团队突破三维组织分布、光学像差、光毒性等诸多胶着问题的限制，在哺乳动物活体环境下实现了高速亚细胞分辨率长时程观测。相关成果发表于Cell。迁移体（migrasome）是清华大学俞立团队最近发现并命名的新细胞器，现在已知迁移体在胚胎发育、免疫系统稳态维持中起重要作用。借助扫描光场显微镜（DAOSLIMIT），开创哺乳动物活体环境中迁移体功能研究的新领域。研究人员将中性粒细胞和血管分别进行染色，在活体小鼠肝脏内进行多色成像，首次清晰地观测到了迁移体和丝状伪足在哺乳动物体内的生成与变化，为揭示哺乳动物活体多细胞、多细胞器间的相互作用提供了全新路径。
可逆光开关的拉曼散射成像
复旦大学物理学系教授季敏标课题组与南方科技大学教授吴长锋课题组合作，通过在二芳基乙烯母体分子中引入炔基，设计出一类具有光敏特性的拉曼探针，实现了可控开关的受激拉曼散射成像。相关成果发表于Nature Communications。受激拉曼散射（SRS）显微术利用受激辐射原理将微弱的拉曼信号放大数个量级，可实现快速的振动光谱成像。该研究利用可逆光异构化的分子偶联上拉曼探针，实现对异构化敏感的拉曼光谱响应。通过将分子匀涂成PMMA薄膜，并通过可编程振镜控制紫外/可见光在薄膜上随意写出/擦除文字等信息。通过分子修饰，使之能够特异性靶向活细胞中的线粒体，在细胞甚至亚细胞层面实现可逆的SRS光开关成像。
“一步机械化学法”制备钠电池正极材料
中国科学院过程工程研究所赵君梅研究员与合作者开发出制备钠电池正极新材料。相关成果发表于Nature Communications。储能技术是可再生能源发电并网和智能电网应用普及的核心技术，也是实现我国碳中和、碳达峰目标的关键技术之一，尤以电化学储能为突出形式。研究团队率先开发出无溶剂的机械化学法快速制备含碳NVPFs复合物，因能实现原位碳骨架的构建，界面反应得以强化。该制备方法可将液相法的7天生产时间缩短至30分钟，产品倍率性能和循环稳定性得到极大提升，保证了工业应用的生产效率。令人惊喜的是，产品公斤级放大组装的商业级26650圆柱电池证实了其高功率和长循环特性。
应用机器学习优化光伏热电混合系统结构参数
中国科学院工程热物理研究所张航研究员等人通过对光伏热电混合系统的优化，探讨了机器学习在结构参数优化方面的应用，为其在能量转换系统性能提升的应用方面提供了实例和参考。相关成果发表于Engineered Science。研究人员选取单晶硅、砷化镓太阳能电池和不同尺寸的热电器件进行了研究。当不同光伏电池与热电器件面积比值（n值）为4时，热电器件获得最大的功率输出。在混合动力系统中，光伏电池和热电器件输出的电能相互隔离的情况下，热电器件获得最大输出功率，混合系统的综合发电效率最高达到32.2%。获得实验数据后，研究人员选用机器学习方法，对混合系统光伏与热电器件的结构参数再次进行优化。
可以自发改变颜色的金属材料
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理实验室孙永昊研究员、白海洋研究员等人与国内外科研人员合作，发现了一种可以在自然条件下自发改变颜色的金属材料。相关成果发表于Journal of Alloys and Compounds。该金属材料自发改变颜色的特性来自该合金在室温条件下持续且不中断的自发氧化。这是一种由稀土元素铈作为主要组元的非晶合金。它由于铈的化学活性所以在室温下有高的氧化速率，由于非晶结构中均匀的缺陷分布，避免了如多晶合金中因局域缺陷位置快速氧化所带来的锈斑，使得非晶合金的表面氧化层厚度均匀。通过在铈基非晶合金中掺杂钇，可以加快该金属材料在自然条件下的变色，实现了对其变色速率的调节。
具有膜-载体互锁型复合微结构的高效MOF分离膜
中国科学院大连化学物理研究所杨维慎研究员、班宇杰副研究员团队利用原位界面组装策略，构筑了表观厚度为零、高度取向的膜-载体互锁型复合微结构MOF膜，实现氢气/二氧化碳的高效分离。相关成果发表于Science Bulletin。研究团队利用原位界面组装策略制备了ZIF-L膜，通过调变配体浓度，可将膜层完全限制在载体孔隙内，形成高度取向的膜-载体互锁型复合微结构（MIS），膜表观厚度为零。ZIF-L膜的气体测试结果显示，其氢气/二氧化碳分离因子超过200，氢气渗透率达4000GPU以上，性能位于工业应用目标区域。MIS-ZIF-L膜还展现出良好的机械稳定性，以硅橡胶垫反复刮擦膜表面，不会造成其选择性下降。
微腔超模拉曼激光的单模特性
北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士领导的课题组揭示了微腔超模拉曼激光的单模特性，通过激光自注入的方法实现了激射模式的动态切换。相关成果发表于PNAS。回音壁微腔中相向传播的行波模式可以相互耦合形成一对光学超模；基于这一体系，实验证明了超模拉曼激光的单模特性。采用激光自注入方法，将输出的部分拉曼激光再次耦合进入微腔并与反方向的光场干涉，从而动态调控两个光学超模的损耗。研究人员结合理论计算分析，解释了拍频信号来源于两个激射模式交替过程中的动态干涉，而非稳定的双模激射。
近阈奇特强子态的统一解释及新预言
中国科学院理论物理研究所郭奉坤研究员等人构造了模型无关的非相对论有效场论，对强子之间的低能散射进行探究，发现了阈值附近散射振幅的一般性行为，揭示出近阈结构产生的普遍规律。相关成果发表于Physical Review Letters。奇特强子态，就是其内部结构不同于传统夸克模型中夸克-反夸克构成的介子或3个夸克构成的重子的强子。研究表明，只要两个粒子之间存在吸引力，那么必定会产生近阈结构，而且吸引力越强、粒子质量越重，近阈结构就会越剧烈。研究预测，如果一对粲强子和反粲强子之间存在吸引相互作用，那么在与之可以耦合的粲偶素和轻强子的不变质量谱上可以看到相应的阈值结构，并指出近阈结构在底强子系统中将更明显。
无序硅中结构转变和电子跃迁的起源
Nature封面：原子洞察力。Nature杂志第7840期封面文章报道了无序硅中结构转变和电子跃迁研究进展。非晶硅在高压下的丰富相行为已经得到了广泛研究，以期更好地从整体上理解结构无序材料。但是，研究人员一直难以理解这些行为的机制。Volker Deringer及其同事们研究发现，用于模拟加压非晶硅的原子机器学习模型能帮助阐明这些行为机制，该研究模型能够覆盖实验中遇到的所有结构转变。文章称此类计算方法有望为涉及高难度实验条件的预测性材料建模开辟应用前景。
光子雪崩纳米粒子可产生巨大的非线性光学响应
Nature封面：光子雪崩。Nature杂志第7841期封面文章报道了一种非线性光学效应光子雪崩。当某种材料受光照超过一定的阈值光强时，材料就会发出不成比例的大量光子，也就是光子“雪崩”。迄今为止，这种现象只在块体材料和聚集体中观察到过。研究表明，铥离子掺杂的纳米晶体可以单独形成光子雪崩。研究人员在单光束、超分辨率成像中使用了他们的纳米晶体，达到了70纳米以下的空间分辨率。研究团队指出，他们的雪崩纳米粒子或在亚波长成像、光学与环境传感、神经形态计算方面具有应用前景。
蓝色喷流进入平流层的观测研究
Nature封面：从国际空间站看到的蓝色喷流（blue jet）艺术示意图。Nature杂志第7842期封面文章报道了国际空间站上一设备对蓝色喷流的观测结果。蓝色喷流是一类闪电，能从雷暴云顶部向上进入平流层。这些喷流的持续时间不到一秒，尚未得到充分表征，形成过程也仍有争议。研究人员利用该设备对这类事件的无遮挡观测，发现了一个从一道云顶明亮蓝色闪光开始的蓝色喷流，持续时间约10微秒。根据研究团队的分析，这道闪光可能与启动云内闪电的无线电波的负窄双极性脉冲是光学等效的。
利用在线求职平台监测招聘中的歧视现象
Nature封面：招聘中的种族歧视。Nature杂志第7843期封面文章报道了一种量化招聘歧视的方法，该方法能追踪招聘单位在求职网站上的搜索行为，并用机器学习控制招聘单位能看到的求职者特征。研究人员在瑞士的一个求职平台上测试了这项技术，发现移民和少数族裔候选人比来自主体族裔的同等候选人被联系次数要少4%～19%。研究团队还发现，在男性占主导的职业中，女性被联系次数要少7%，在女性占主导职业中也发现了与此相反的趋势。文章认为，此项工具能以高成本效益、非侵入的方式持续监测并减少招聘中的歧视现象。
（本页期刊封面图来自Nature官网）
Science
阿雷西博望远镜的设备平台倒塌
Science封面：20世纪80年代后期俯视波多黎各阿雷西博天文台305米宽的无线电天线。Science杂志第6526期封面文章报道了阿雷西博望远镜倒塌的故事。2020年8月10日，一根支撑着900吨重仪表平台的钢索在碟形盘上方断裂并坠毁。第二条支撑电缆在11月6日断裂。11月19日，美国国家科学基金会宣布阿雷西博望远镜将退役，并以可控方式拆除。但拆除计划尚在进行中，12月1日，望远镜设备平台就已倒塌。阿雷西博望远镜是科幻片《超时空接触》以及007电影《黄金眼》取景地。随后，研究人员宣布了在同一地点建造一个耗资4亿美元的望远镜的计划。
喷毒眼镜蛇致痛防御毒液成分的趋同进化
Science封面：一些眼镜蛇，如莫桑比克喷毒眼镜蛇（Naja mossambica），利用吐毒液作为一种有效的远程防御机制。Science杂志第6527期封面文章报道了在防御选择驱动下发生跨多种表型水平的趋同演化。蛇的毒液主要用来制服或杀死猎物，大多数毒液都有明显的作用，例如导致死亡或瘫痪。然而，有一种蛇的毒液已经进化，从捕食变成了保护。具体来说，在“吐痰”（喷毒）蛇的3个不同谱系中，毒液用于威慑捕食者。Kazandjian等人的研究表明，在这些谱系中也发生了类似的变化，将细胞毒性成分转化为作用于哺乳动物感觉神经元并引起疼痛的混合物。
裸鼹鼠群落特有的方言
Science封面：裸鼹鼠（Heterocephalus glaber）。Science杂志第6528期封面文章报道了声音方言在裸鼹鼠群体中的文化传播。裸鼹鼠的问候叫声、柔和的啁啾声，可以用来交流社会成员身份，这一发现可能有助于阐明社会交流机制。Barker等人的研究显示，与其他啮齿类动物不同的是，裸鼹鼠几乎失明，高度社交化，但又排外。它们有一种群体特有的打招呼声，一种柔和的唧唧声。这是裸鼹鼠在生命早期习得的，有助于识别群体成员，从而有助于保持群体的凝聚力。这种柔和的啁啾信号似乎是由女族长或“女王”调制的。
20岁的人类基因组
Science封面：人类基因组序列发表20年。Science杂志第6529期特刊报道了两个研究小组在《科学》和《自然》杂志上发表了人类基因组的第一份草图20年后，人类染色体中嵌入的复杂代码已经改变了研究、医学和我们对自己的概念。人类基因组计划（HGP）是一个国际支持的公共项目，它于1990年启动。DNA测序的高通量技术对该项目的成功至关重要。不断增加的序列数据推动了相关学科和计算工具的发展。Lara Choksey在她的新书《基因组时代的叙事》中写道：“如果双螺旋是现代时代的标志，那么基因组就是现代最后的宏大叙事之一”。
（本页期刊封面图来自Science官网）
物理前沿
新型成像技术观测三维亚细胞毫秒尺度活动的小时级长时活体
清华大学戴琼海院士团队突破三维组织分布、光学像差、光毒性等诸多胶着问题的限制，在哺乳动物活体环境下实现了高速亚细胞分辨率长时程观测。相关成果发表于Cell。迁移体（migrasome）是清华大学俞立团队最近发现并命名的新细胞器，现在已知迁移体在胚胎发育、免疫系统稳态维持中起重要作用。借助扫描光场显微镜（DAOSLIMIT），开创哺乳动物活体环境中迁移体功能研究的新领域。研究人员将中性粒细胞和血管分别进行染色，在活体小鼠肝脏内进行多色成像，首次清晰地观测到了迁移体和丝状伪足在哺乳动物体内的生成与变化，为揭示哺乳动物活体多细胞、多细胞器间的相互作用提供了全新路径。
可逆光开关的拉曼散射成像
复旦大学物理学系教授季敏标课题组与南方科技大学教授吴长锋课题组合作，通过在二芳基乙烯母体分子中引入炔基，设计出一类具有光敏特性的拉曼探针，实现了可控开关的受激拉曼散射成像。相关成果发表于Nature Communications。受激拉曼散射（SRS）显微术利用受激辐射原理将微弱的拉曼信号放大数个量级，可实现快速的振动光谱成像。该研究利用可逆光异构化的分子偶联上拉曼探针，实现对异构化敏感的拉曼光谱响应。通过将分子匀涂成PMMA薄膜，并通过可编程振镜控制紫外/可见光在薄膜上随意写出/擦除文字等信息。通过分子修饰，使之能够特异性靶向活细胞中的线粒体，在细胞甚至亚细胞层面实现可逆的SRS光开关成像。
“一步机械化学法”制备钠电池正极材料
中国科学院过程工程研究所赵君梅研究员与合作者开发出制备钠电池正极新材料。相关成果发表于Nature Communications。储能技术是可再生能源发电并网和智能电网应用普及的核心技术，也是实现我国碳中和、碳达峰目标的关键技术之一，尤以电化学储能为突出形式。研究团队率先开发出无溶剂的机械化学法快速制备含碳NVPFs复合物，因能实现原位碳骨架的构建，界面反应得以强化。该制备方法可将液相法的7天生产时间缩短至30分钟，产品倍率性能和循环稳定性得到极大提升，保证了工业应用的生产效率。令人惊喜的是，产品公斤级放大组装的商业级26650圆柱电池证实了其高功率和长循环特性。
应用机器学习优化光伏热电混合系统结构参数
中国科学院工程热物理研究所张航研究员等人通过对光伏热电混合系统的优化，探讨了机器学习在结构参数优化方面的应用，为其在能量转换系统性能提升的应用方面提供了实例和参考。相关成果发表于Engineered Science。研究人员选取单晶硅、砷化镓太阳能电池和不同尺寸的热电器件进行了研究。当不同光伏电池与热电器件面积比值（n值）为4时，热电器件获得最大的功率输出。在混合动力系统中，光伏电池和热电器件输出的电能相互隔离的情况下，热电器件获得最大输出功率，混合系统的综合发电效率最高达到32.2%。获得实验数据后，研究人员选用机器学习方法，对混合系统光伏与热电器件的结构参数再次进行优化。
可以自发改变颜色的金属材料
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理实验室孙永昊研究员、白海洋研究员等人与国内外科研人员合作，发现了一种可以在自然条件下自发改变颜色的金属材料。相关成果发表于Journal of Alloys and Compounds。该金属材料自发改变颜色的特性来自该合金在室温条件下持续且不中断的自发氧化。这是一种由稀土元素铈作为主要组元的非晶合金。它由于铈的化学活性所以在室温下有高的氧化速率，由于非晶结构中均匀的缺陷分布，避免了如多晶合金中因局域缺陷位置快速氧化所带来的锈斑，使得非晶合金的表面氧化层厚度均匀。通过在铈基非晶合金中掺杂钇，可以加快该金属材料在自然条件下的变色，实现了对其变色速率的调节。
具有膜-载体互锁型复合微结构的高效MOF分离膜
中国科学院大连化学物理研究所杨维慎研究员、班宇杰副研究员团队利用原位界面组装策略，构筑了表观厚度为零、高度取向的膜-载体互锁型复合微结构MOF膜，实现氢气/二氧化碳的高效分离。相关成果发表于Science Bulletin。研究团队利用原位界面组装策略制备了ZIF-L膜，通过调变配体浓度，可将膜层完全限制在载体孔隙内，形成高度取向的膜-载体互锁型复合微结构（MIS），膜表观厚度为零。ZIF-L膜的气体测试结果显示，其氢气/二氧化碳分离因子超过200，氢气渗透率达4000GPU以上，性能位于工业应用目标区域。MIS-ZIF-L膜还展现出良好的机械稳定性，以硅橡胶垫反复刮擦膜表面，不会造成其选择性下降。
微腔超模拉曼激光的单模特性
北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士领导的课题组揭示了微腔超模拉曼激光的单模特性，通过激光自注入的方法实现了激射模式的动态切换。相关成果发表于PNAS。回音壁微腔中相向传播的行波模式可以相互耦合形成一对光学超模；基于这一体系，实验证明了超模拉曼激光的单模特性。采用激光自注入方法，将输出的部分拉曼激光再次耦合进入微腔并与反方向的光场干涉，从而动态调控两个光学超模的损耗。研究人员结合理论计算分析，解释了拍频信号来源于两个激射模式交替过程中的动态干涉，而非稳定的双模激射。
近阈奇特强子态的统一解释及新预言
中国科学院理论物理研究所郭奉坤研究员等人构造了模型无关的非相对论有效场论，对强子之间的低能散射进行探究，发现了阈值附近散射振幅的一般性行为，揭示出近阈结构产生的普遍规律。相关成果发表于Physical Review Letters。奇特强子态，就是其内部结构不同于传统夸克模型中夸克-反夸克构成的介子或3个夸克构成的重子的强子。研究表明，只要两个粒子之间存在吸引力，那么必定会产生近阈结构，而且吸引力越强、粒子质量越重，近阈结构就会越剧烈。研究预测，如果一对粲强子和反粲强子之间存在吸引相互作用，那么在与之可以耦合的粲偶素和轻强子的不变质量谱上可以看到相应的阈值结构，并指出近阈结构在底强子系统中将更明显。
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