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  作为新一代薄膜太阳能电池的代表性材料,钙钛矿的毒性及对水氧的敏感性严重阻碍了其商业化进程。近年来,二维(2D)Sn基无铅钙钛矿因其出色的稳定性和低毒性,成为3D钙钛矿的替代材料。但由于二维材料结构的特殊性,电子或空穴受量子尺寸效应限制,其寿命和迁移率远低于3D结构,因而其器件光电转化效率明显低于3D钙钛矿。这种稳定性与高效率之间的矛盾成为实际应用的一个难题。  最近,在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中科院化学研究所绿色印刷重点实验室科研人员与郑州大学合作,成功地将疏水性有机分子1,4-丁二胺引入到Sn基无铅钙钛矿中,合成了一系列具有Dion-Jacobson相的准二维钙钛矿。如下图所示,具有典型准二维结构的(BEA)FA2Sn3I10钙钛矿结构对称性较好,光吸收窗口与三维相比并没有明显减少,并具有合适的禁带宽度。第一性原理计算表明,(BEA)FA2Sn3I10具有大的形成能(106j/mol),结构稳定。另外,(BEA)FA2Sn3I10薄膜致密性良好,载流子限域作用并不明显,结合一维扩散方程,计算出的电子扩散长度为450nm,空穴扩散长度为360nm,载流子迁移率为14.4cm2V-1S-1。利用该(BEA)FA2Sn3I10薄膜制备出的太阳能电池,光电转换效率高达6.34%,是目前报道的Dion-Jacobson相的准二维钙钛矿太阳能电池的最高值。更为重要的是,在自然条件下,未封装的器件经过1000小时的老化,效率仅仅衰减8%。另外,在光照稳定性测试中发现,经过200小时,器件效率仍有90%以上。通过这种新型低维无铅钙钛矿结构设计,同时实现了高效率和稳定性的钙钛矿太阳能电池,对推动钙钛矿太阳能电池的实际应用具有重要意义。  该研究成果近日发表于《德国应用化学》(AngewandteChemieInternationalEdition)上,通讯作者是化学所研究员宋延林和郑州大学博士张懿强,第一作者是博士生李鹏伟。  论文链接单晶(BEA)FA2Sn3I10的合成,晶体结构及第一性原理计算

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  由于石墨烯等二维范德瓦尔斯材料层间相互作用非常弱,容易解理并堆垛形成各种人工异质或同质结构。当堆垛的两层之间有微弱的晶格差异或微小的转角时,就会形成摩尔(moiré)图案。近期研究发现这些二维异质结或同质结体系在摩尔周期势场作用下,展现出了许多新奇的物理现象,比如在魔角双层石墨烯中发现了关联绝缘态以及非常规超导态。  然而到目前为止,摩尔图案的构造还局限于二维范德瓦尔斯体系。如果这种摩尔调控能够拓展到其它体系,特别是强关联体系中,将有可能发现更多新颖物性。近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中科院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦课题组与美国石溪大学刘梦昆课题组等合作,首次在钙钛矿锰氧化物这一关联电子体系中实现了电子相的摩尔调控。该研究成果以MoirEngineeringofElectronicPhenomenainCorrelatedOxides为题于4月6日在线发表在《自然-物理》上(NaturePhysics,DOI:10.1038/s41567-020-0865-1)。  关联氧化物中,电荷、自旋、轨道等自由度与晶格有很强的耦合,因此该研究团队设想有可能通过应力工程在关联氧化物中实现摩尔图案。他们在有周期性台阶的LaAlO3 (LAO)衬底上生长了La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO)薄膜,发现由于界面耦合效应,LSMO薄膜中存在两种来源不同但周期相近的应力周期势场,一种来自衬底台阶,另一种来自LSMO薄膜本身的孪晶畴。他们利用近场光学显微镜(SNOM)发现,当两种周期势场以较小的角度交叠在一起时,其共同作用会产生微米尺度的局域导电性的摩尔图案调制(如图)。在LSMO体系中,导电性与应力之间有着非线性的依赖关系,所以调控效果非常显著。通过对其中一种应力势场的周期或者曲率的小幅度调节,可以实现LSMO薄膜中摩尔纹形状的大幅度改变。在关联锰氧化物中,导电性和磁性直接相关。进一步的磁力显微镜研究的确发现了与导电性摩尔条纹相对应的铁磁性摩尔条纹。LSMO的顺磁-铁磁转变进一步调控了其电子摩尔条纹:在居里温度以下,导电性摩尔条纹与铁磁性摩尔条纹共存;而在居里温度之上,导电性摩尔条纹还在,但铁磁性摩尔条纹消失。这一发现首次将摩尔调控的概念拓展到了非范德瓦尔斯二维体系,也为在外延薄膜中实现可控的电子条纹以及相应的新奇物性探索提供了一种全新的手段。  中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理系教授曾长淦、特任副研究员李林与美国石溪大学教授刘梦昆、哥伦比亚大学教授D.N.Basov为论文共同通讯作者。中国科大博士后范晓东、特任副研究员李林与美国石溪大学博士生陈昕中为论文共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金、科技部、安徽省以及中科院的资助。  文章链接图:a. 利用两种不同应力势场的耦合在LSMO薄膜中实现摩尔调控的示意图。 b.c.SNOM测量得到的电子相摩尔纹图案,b为直线型,c为弯曲型。

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  近日,中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组吴忠帅团队与低碳催化与工程研究部刘中民、叶茂团队合作,提出了一种二维介孔异质结构双功能锂离子再分配新策略,获得高稳定、高容量且无枝晶的金属锂负极。  全球化石能源危机的不断加剧引起了科研人员对清洁能源的日益关注和广泛研究,其中开发高能量密度电池,推动长续航电动汽车的发展是倡导清洁能源、共建绿色出行的重要途径之一。锂金属电池因金属锂负极具有高理论比容量(3860mAh/g)和低氧化还原电压(-3.04Vvs.SHE)而被认为是下一代高能量电池。但是,金属锂负极存在严重的锂枝晶,且循环性能差,库伦效率低,有安全性问题,严重阻碍了锂金属电池的广泛应用。因此,如何通过设计合理的结构,调控锂离子沉积行为,实现均匀的锂沉积,并延长其循环寿命是目前锂金属电池应用研究的主要瓶颈之一。  为了解决这个难题,吴忠帅团队提出了一种二维介孔异质结构双功能锂离子再分配新策略,设计并制备出二维介孔聚吡咯-氧化石墨烯异质结新材料,利用二维介孔聚吡咯层的锂离子有序通道和缺陷氧化石墨烯的纳米筛的协同作用,实现了均匀的锂离子分布,有效降低了电流密度,从而获得了高稳定、高容量且无枝晶的锂金属负极。锂对称电池(mPPy-GO-Li//mPPy-GO-Li)在高达1000次循环(2000h)中保持高的库伦效率(98%),在高电流密度(10Ma/cm2)下具有平坦的电压(70mV)曲线,且无锂枝晶生成。刘中民、叶茂团队提供了电场模拟计算支持,证明了该二维异质结构可以有效地使不稳定的电流波动均匀化。以该负极组装的锂/钴酸锂全电池表现出了优异的倍率和循环稳定性能。该工作为构建安全性好、比能高、寿命长的锂金属电池的二维异质结构提供了新思路。  相关研究成果发表在《德国应用化学》(Angew.Chem.Int.Ed.)上。上述工作得到国家重点研发计划项目、两所融合基金项目、中科院洁净能源创新研究院合作基金项目等的资助。大连化物所提出二维异质结构保护锂金属负极新策略

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  生物多样性和生态系统功能一直是生态学的核心问题。生物多样性和生态系统功能由气候、生物和非生物属性等当代环境因子驱动,也可能通过地质过程等长期驱动因素塑造。长期驱动因素对当代环境具有持久的影响,这种影响在山区表现十分明显。最近有研究表明侵蚀和土壤异质性对陆地四足动物多样性具有重要影响,并揭示了地质过程和生物群落之间的密切联系。然而,地质过程对植物、微生物群落和生态系统功能的影响尚未得到广泛评估。同时,地质学与当代环境的相互作用对植物、微生物群落和生态系统功能的影响鲜有报道。  近期,中国科学院高寒生态重点实验室、青藏高原研究所生态格局与过程团队研究员张更新等在中国西藏墨脱县的嘎隆拉山跨越3000米的海拔梯度(图1c),通过对植物、细菌群落生物多样性和生态系统功能的研究与分析,探讨了地质过程和当代环境对生态系统生物多样性的影响。  该研究主要基于嘎隆拉山700-3760m六个垂直植被带(从热带季雨林到寒冷灌木草甸)18个样点的植被调查和土壤细菌16SrRNA基因高通量测序数据,首先,运用分段线性回归、去趋势对应分析、梯度森林等方法研究了生物多样性和生态系统功能的海拔分布模式。研究发现,生物群落多样性和生态系统功能均在海拔2000-2800米范围内有海拔断点(图2a,b,c),该断点与雅鲁藏布江-印度河断层带(图1b)分布是一致的。其次,通过多模型平均分析发现年均温、土壤pH值和土壤湿度是决定生态系统功能和生物多样性最重要的因素(图2d,e,f)。但是,当把地质过程加入模型中,发现母岩和风化作用在内的地质作用对植物群落和细菌群落变异的解释率分别提高了67.9%和35.9%,对生态系统功能的变异的解释率增加了27.6%(图2g,h,i)。另外,通过结构方程模型分析发现,当包含母岩、风化等地质过程时,其对生物多样性和生态系统多功能性的解释量也分别提高了8.7%和1.5%(图3)。因此,地质过程对生态系统特性具有非常重要的作用,母岩和风化对生物多样性有相当大的直接影响,并且通过与生物多样性和当代环境的相互作用,间接影响生态系统功能。  该研究量化了地质过程对植物、微生物群落和生态系统功能的相对贡献,并表明植物、微生物多样性和生态系统功能受到地质过程和当代环境共同驱动。因此,综合分析地质过程与当代环境状况对生态系统的影响,可以提升人们对生物多样性的理解,深入认识不同气候带生态系统功能。  该研究成果以Mountainbiodiversityandecosystemfunctions:interplaybetweengeologyandcontemporaryenvironments为题在InternationalSocietyforMicrobialEcology(TheISMEJournal)发表。  文章链接 图1生物群落和生态系统功能的假设机制及采样图图2植物、细菌和生态系统功能的海拔分布模式及当代环境与地质作用对其影响图3生物多样性与生态系统功能的结构方程模型

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  近日,中国科学院自动化研究所脑网络组研究中心领衔发展了一套基于海马影像组学的阿尔茨海默病早期识别的研究框架,发现海马的影像组学是一种阿尔茨海默病稳定、有效、可泛化的生物标记,并有望应用于临床辅助诊断的生物标记的个体化诊断,对未来阿尔茨海默病临床的精准辅助识别、高危人群的纵向跟踪具有重要临床意义。相应的研究方法可推广至其他精神疾病的研究。  阿尔茨海默病(AlzheimerDisease,AD),俗称“老年痴呆症”,作为一种不可逆的神经退行性疾病,是老年人群中最为常见的认知障碍疾病。传统上,大脑海马区(hippocampus)的萎缩被认为是与AD相关的一个影像学标志物,然而既往关于AD的影像学研究大多是基于单中心、小样本的结果,标记物的泛化性存在争议。  为突破AD的早期诊断和疗效评价所面临的瓶颈,自动化所脑网络组研究中心牵头,联合中国人民解放军总医院、首都医科大学宣武医院、天津环湖医院和山东大学齐鲁医院等国内外多家单位共同发展了一套基于海马影像组学的AD早期识别的研究框架(HR4AD:HippocampalradiomicsforAD)。团队基于1900余例脑影像样本,发现海马影像组学可以作为AD的影像学标记,并从标记的泛化性、个体化精准诊断可行性与生物机制解析等方面进行了系统的研究。  针对现有的临床直接应用影像学标记的泛化性能不足这一关键问题,脑网络组研究中心瞄准利用磁共振影像对AD进行辅助早期识别这一目标,收集了6个中心的AD及轻度认知损害(mildcognitiveimpairment,AD高风险人群)病人的脑影像、临床与认知评估等数据,并利用美国ADNI数据库(包括基因组学、脑影像、临床认知评估、蛋白沉淀等临床数据)作为验证数据。在多中心、大样本数据的基础上,首次在多中心、大样本的数据中证实了海马的影像组学是AD稳定的生物标记,在此基础上探索了影像标记与基因风险、认知能力、蛋白沉淀等临床信息的潜在关系,并在纵向跟踪的数据中验证了影像学标记可以用来跟踪高危人群的病情发展。  HR4AD研究的主要创新性体现在以下几个方面:(1)多中心融合分析表明AD中存在着显著可重复的异常海马影像组学特征表达;(2)独立中心交叉验证表明HR4AD可以用于AD的个体化识别;(3)基因、生物标记和纵向变化刻画HR4AD背后的生物学意义。  综上,该研究表明海马的影像组学是一种AD稳定、有效、可泛化、并且有希望应用于临床辅助诊断的生物标记的个体化诊断的生物标记,可能对未来AD临床的精准辅助识别、高危人群的纵向跟踪具有重要的临床意义。  该研究以IndependentandreproduciblehippocampalradiomicbiomarkersformultisiteAlzheimer’sdisease:diagnosis,longitudinalprogressandbiologicalbasis为题于4月3日在ScienceBulletin在线发表。通讯作者是自动化所脑网络组研究中心研究员刘勇和中国人民解放军总医院教授张熙,第一作者是刘勇小组的硕士研究生赵坤。  相应的研究方法可推广至其他精神疾病的研究。团队已经共享了研究中更新后的应用程序(https://github.com/YongLiulab)。这也是该团队继基于多中心的功能磁共振阿尔茨海默病脑活动改变研究(ScienceBulletin,2019,64:998-1010)之后,在AD的脑影像异常表征上取得的又一重要进展。团队后续的工作将集中在更多独立中心、纵向跟踪的高危人群的验证工作。  该研究受到国家重点研发计划课题、国家自然科学基金委面上项目、中科院先导项目和模式识别国家重点实验室开放课题等的支持。  论文链接图:HR4AD研究框架

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  天然糖类是活性天然产物的一个重要结构单元,糖苷化修饰有利于提高活性分子的生物相容性及靶点识别的特异性,迄今许多临床一线使用的药物如红霉素、阿霉素及万古霉素等都是糖苷类化合物。弩箭子糖(antiarose)是一类六碳脱氧糖,最初于1896年由水解剧毒木本植物见血封喉树汁液中的天然毒素——α-弩箭子甙(α-antiarin)得到。据报道,目前大约有50多种强心苷类化合物中含有弩箭子糖结构,这一类强心苷类化合物对Na+/K+-腺苷三磷酸酶或者是人肿瘤细胞系具有纳摩尔级的抑制活性,它们在心力衰竭、房性心律失常和癌症的治疗方面具有重要的临床应用价值。除上述强心苷外,弩箭子糖这一不常见的天然结构仅存在于少数几个天然产物中,且目前弩箭子糖的生物合成机制尚不清楚。  2016年初,中国科学院昆明植物研究所天然药物化学前沿交叉团队黄胜雄研究组阐明了托酚酮吡啶生物碱类化合物rubrolones生物合成过程涉及二型聚酮合酶和氧化酶介导的复杂氧化重排形成托酚酮环的化学机制(Org.Lett.2016,18,1254)。随后通过该研究组对rubrolones的生物合成途径作了进一步的详细解析,阐明了自然界普遍存在非酶催化的吡啶环生物合成机制(Nat.Commun.2016,7,13083)。  最近,该课题组在前期生物合成解析基础上,对其糖配体的关键基因进行了深入研究。通过系列体外酶学实验证实了rubrolones中糖配体关键基因RubS3-S5的作用逻辑,并运用波谱学方法确定了酶RubS3作用后的产物为TDP-D-antiarose(4)。分析酶RubS3体外反应的底物TDP-4-keto-6-deoxy-D-glucose(1)和产物TDP-D-antiarose(4)的结构差异,对酶RubS3可能的催化机制提出了三种假设(图1,机制A、B和C)。随后,通过设计系列氘原子标记的体外酶学实验探索了酶RubS3的作用机理,初步发现它通过推测的机理C产生作用,即NADPH中4S-H传递到C-4位羰基,完成羰基的还原,溶剂中的质子传递到C-3位,经烯醇中间体完成C-3位的异构,从而形成产物TDP-D-antiarose(4)。酶RubS3由此被鉴定为一类新型的还原-异构双功能酶,系统发育分析发现rubterolone生物合成基因簇中的酶RblE与之有较高的相似性。后续的体外酶学实验证实酶RblE也能将底物TDP-4-keto-6-deoxy-D-glucose转化为产物TDP-D-antiarose,且与酶RubS3具有相似的米氏动力学参数。序列比对发现酶RubS3具有短链脱氢/还原酶中的活性催化三联体Thr111-Tyr135-Lys139。据此,使用点突变的方法构建了酶RubS3的三种突变蛋白(T111V,Y135F和K139A),体外酶学实验发现上述突变蛋白的催化活性较野生型蛋白显著降低或完全消失,但有关酶RubS3碱性残基的突变的一系列蛋白突变体却没有表现出催化能力的改变,暗示酶RubS3作用时C-3位羟基的异构可能经由一种潜在的新机制完成。  上述研究内容表明,RubS3和RblE是一类新型的还原-异构双功能酶,它们均通过图2所示的机制催化自然界中稀有弩箭子糖的生物合成。这一类酶的发现解决了百年来悬而未决的有关自然界中弩箭子糖如何形成的科学问题,为后期利用相关组合生物合成和合成生物学手段扩充天然糖苷化合物的结构多样性奠定了基础。  该研究成果以Biosyntheticaccesstotherareantiarosesugarviaanunusualreductase-epimerase为题在线发表于国际期刊ChemicalScience。上述研究工作得到国家自然科学基金-云南省联合基金重点项目(U1702285)、国家合成生物学重点研发计划、中科院青年创新促进会专项、云南省人才专项和应用基础研究计划等资助。  文章链接图1.酶RubS3将底物1转化为产物4的三种可能机制图2.酶RubS3可能的催化机制

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