成立10周年就位列内地高校前十，这所高校近期连续发表8篇Science、Nature
纳米人
2020-06-17
南方科技大学（简称南科大）是深圳在中国高等教育改革发展的时代背景下，创建的一所高起点、高定位的公办创新型大学，它肩负着为我国高等教育改革发挥先导和示范作用的使命，并致力于服务创新型国家建设和深圳创新型城市建设。南科大被确定为国家高等教育综合改革试验校。2012年4月，教育部同意建校，并赋予学校探索具有中国特色的现代大学制度、探索创新人才培养模式的重大使命。南科大根据世界一流理工科大学的学科设置和办学模式，以理、工、医为主，兼具商科和特色人文社科，在本科、硕士、博士层次办学，在一系列新的学科方向上开展研究，使学校成为引领社会发展的思想库和新知识、新技术的源泉。南科大的目标是建设成为聚集一流师资、培养拔尖创新人才、创造国际一流学术成果并推动科技应用的国际化高水平研究型大学。就目前来看，该目标已经取得实质性进展。2020年6月3日，泰晤士高等教育（Times Higher Education，简称“THE”）发布了“2020泰晤士高等教育亚洲大学排名”（THE Asia University Rankings 2020），南科大位列中国内地高校第8位。2020年6月10日，QS世界大学排名网发布了“2021 QS世界大学排名”（Quacquarelli Symonds，QS World University Rankings 2021），南方科技大学位列中国内地高校第14位，世界第323位。据不完全统计，在过去的一年内，南科大在材料、化学、物理、生物领域至少收获8篇《Nature》/《Science》通讯文章。其中，化学反应原理研究2篇（杨学明团队），电催化1篇，大面积单晶材料制备1篇，热电材料1篇，霍尔效应1篇，单颗粒光谱学1篇，RNA生物功能研究1篇。（若有不全，欢迎留言补充）以下简要总结了这8篇文章的主要内容，供读者参考学习。
1. Science：离子型明胶热电材料用于可穿戴器件的供电
从环境中收集能量并转化为电能为物联网（Internet-of -things, loT）传感器提供电能的发展中有重要意义，通过这种供电作用能够使其免于电缆/电池供电，支持了可穿戴设备的发展。热电材料器件中，通过离子作为载流子，通常需要在不同温度中在两个电极之间进行热扩散或还原反应。南方科技大学刘玮书、MIT麻省理工学院陈刚等发展了一种基于明胶（gelatin）的器件，通过碱金属盐和铁基还原对配合，产生了一个非常大的热电转化效果。并且该装置通过身体上发热就能够得到足够的能量。制成的器件中最高的热电能达到17.0 mV/K，明胶中的离子传输通过KCl，NaCl，KNO3进行热扩散作用，并通过[Fe(CN)64-/Fe(CN)63-]提升热电效应。作者显示，当通过身体热能作为热源（ΔT~10 K）的可穿戴器件中就可以达到2 V的热电效应和最高5mW的功率。这种离子型明胶展现出离子能量载体在热电转换中的重要应用前景。要点1. 测试了KCl、KNO3、NaCl在明胶中的热扩散效应变化，结果显示加入0.8 M KCl后，明胶的热扩散效应提高为6.7 mV/K；加入0.3 M NaCl的明胶热扩散效应同样提高为6.7 mV/K；加入0.5~0.8 M KNO3后，明胶的热扩散效应提高为3~4 mV/K。随后在加入KCl的明胶中加入FeCN4-/3-，热电性能进一步发生变化，并最高达到12.7 mV/K（比例为0.8 M KCl-0.42/0.25 M FeCN4-/3-）。随后作者对KCl和FeCN4-/3-的协同作用进行研究，作者对不同组分的热电贡献进行总结：明胶贡献了10.2 %，FeCN4-/3-贡献了17.9 %，K3Fe(CN)6和K4Fe(CN)6贡献了9.7 %，KCl贡献了62.2 %。要点2. 可穿戴器件供能测试。该明胶体系能够提供2.2 V电压，对于湿度器件（1.6~3.6 V）、压力器件（1.5~3.6 V）、室内气体传感器（1.8~3.6 V）等器件能够有效的支持其工作。Cheng-Gong Han, Xin Qian, Qikai Li, Biao Deng, Yongbin Zhu, Zhijia Han, Wenqing Zhang, Weichao Wang, Shien-Ping Feng, Gang Chen*, Weishu Liu*. Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature, Science 2020DOI：10.1126/science.aaz5045https://science.sciencemag.org/content/368/6495/1091
2. Nature：A4纸面积的高指数晶面单晶Cu膜生长
北京大学王恩哥、刘开辉，中科院松山湖材料实验室，华南师范大学，韩国基础科学研究所丁峰，南方科技大学俞大鹏等在Nature上报道了合成大面积Cu单晶的方法。合成大面积不同晶面的单晶金属膜长期以来都有重要意义，特别是在晶体外延生长，催化，电子学/热力学上。对于一种给定的金属材料，通常具有三种低指数晶面（{100}，{110}，{111}）。与之相比，高指数晶面在理论上是无穷尽的，并且会展现丰富的表面结构和性质。但是，控制合成高指数晶面材料有非常大的挑战性，因为高指数晶面在热力学和动力学上都是不稳定的。实现了构建30×20 cm2大小的Cu单晶材料，并实现了多达30余种不同指数Cu晶面。通过事先对Cu基底进行预氧化处理，实现了在还原气氛中煅烧，在其表面生长高指数晶面，并且通过这种方法有可能实现长达数米的高指数单晶表面。对Cu基底表面进行预氧化是关键性过程，氧化后的表面表面能不再是决定晶体生长的关键因素，反应的生长转而为随机过程，并且该生长过程和已生长的晶面相关（较小的晶界氧化，较大的晶界取向决定了晶体生长方向）。通过在高指数晶面上进行生长，诱导Cu晶膜的生长沿着基底或垂直于晶体的方向生长。这种生长技术同样在其他种类的金属生长（高指数Ni膜）中得以应用。得到的高指数晶面薄膜可能在催化、低阻抗导电（low-impedance electrical conduction）、散热（heat dissipation）领域中应用。该热处理过程具体通过：在150~650 ℃中空气氛围中将Cu膜氧化处理几个小时（在10~60 min内升温，并保持1~4 h），随后在1020 ℃中还原气氛（Ar气+50 sccm H2）中煅烧Cu膜1 h。并随后在高指数Cu晶面上进行外延生长hBN、石墨烯的实验。通过分子动力学模拟计算方法对晶体生长进行了模拟理论分析。Muhong Wu, Zhibin Zhang, Xiaozhi Xu, Zhihong Zhang, Yunrui Duan, Jichen Dong, Ruixi Qiao, Sifan You, Li Wang, Jiajie Qi, Dingxin Zou, Nianze Shang, Yubo Yang, Hui Li, Lan Zhu, Junliang Sun, Haijun Yu, Peng Gao, Xuedong Bai, Ying Jiang, Zhu-Jun Wang, Feng Ding*, Dapeng Yu*, Enge Wang* & Kaihui Liu*. Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets，Nature 2020, 581, 406-410DOI：10.1038/s41586-020-2298-5https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5
3. Science：化学反应量子几何相位效应研究重要进展
中国科学院院士、南方科技大学理学院院长、化学系讲席教授杨学明团队和中科院大连化物所研究员肖春雷、研究员孙志刚、院士张东辉团队在最简单化学反应氢原子加氢分子的同位素（H+HD→H2+D）反应中，发现了化学反应中新的量子干涉效应，这一发现有助于更深入地理解化学反应过程，丰富对化学反应的认识。要点1. 研究团队在2019年先期理论研究工作中发现，在特定散射角度上，H+HD反应生成的产物H2的多少会随碰撞能而呈现特别有规律的振荡。针对这个有规律的振荡现象，团队开展了理论结合实验的详细研究。团队改进了交叉分子束装置，实现了在较高碰撞能处对后向散射（散射角度为180度）信号的精确测量。理论上，进一步发展了量子反应散射理论，创造性地发展了利用拓扑学原理分析化学反应发生途径的方法。要点2. 拓扑学分析表明，这些后向散射的振荡实际上是由两条反应途径的干涉造成的。这两条反应途径对于后向散射均有显著贡献，但它们各自的幅度随着碰撞能变化并无显著变化，呈现缓慢的变化趋势。它们的相位随着碰撞能变化，一个呈线性增加，另外一个呈线性减小，因此，相互干涉的结果就呈现了强烈的有规律的振荡现象。 要点3. 进一步采用经典轨线理论分析表明，其中一条反应途径对应于通常所熟知的直接反应过程，如下图G至I所示。而另外一条反应途径对应于一条类似于roaming机理的反应过程，如图A至F所示。由于这两条反应途径，刚好以相反的方向围绕于H+HD反应势能面上的锥形交叉，所以它们的干涉图样必须采用非绝热耦合的势能面来模拟计算才可以，这也体现了这个体系反应过程中的几何相位效应。尤其有趣的是，在所研究的碰撞能范围，通过漫游机理而发生的反应只占全部反应性的0.3%左右。而如此微弱的小部分反应性，能够清晰地被理论和实验所揭示出来。 该项研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而发生化学反应的过程的量子性，另一方面，也揭示了化学反应的途径的复杂性。尽管如此简单的体系也仍然存在科学家们认识不到的事实。 Yurun Xie, Hailin Zhao, Yufeng Wang, Yin Huang, Tao Wang, Xin Xu, Chunlei Xiao, Zhigang Sun, Dong H. Zhang, Xueming Yang.Quantum interference in H + HD → H2 + D between direct abstraction and roaming insertion pathways. Science. 2020DOI: 10.1126/science.abb1564https://science.sciencemag.org/content/368/6492/767
4. Science：趋近绝对零度的量子共振
原子与分子的碰撞传能以及化学反应过程受量子力学的规则控制。理解量子效应在原子与分子碰撞中的作用是理解能量传递以及化学反应过程的根本。而量子效应在低温下能够更好保存，因此低温条件对碰撞结果的影响会更加显著。量子散射共振给实验提供了一种观测碰撞过程中量子效应的方法，但由于其寿命很短，实验观测的挑战巨大。南方科技大学理学院院长、化学系讲席教授、中国科学院院士杨学明和化学系助理教授杨天罡应邀在Science杂志发表评述文章，讨论趋近绝对零度的原子与分子碰撞过程中量子散射共振研究的进展。要点1. 评述文章详细介绍了同期《科学》杂志发表的关于极低温量子散射共振的研究工作。通过利用斯塔克减速技术产生的NO(j=1/2f) 束源和冷He束源结合高分辨的速度成像技术，荷兰科学家实现了碰撞能0.3 ~ 12.3 K下NO+He体系的高分辨非弹性散射动力学研究，并观测到了多个共振现象。更有意思的是，这个实验结果只能用CCSDT(Q)下发展的一个最新的精确势能面上的计算来描述，也表明了在此非弹性散射系统中，实验中观测到的量子散射共振图像可以精确测试量子计算结果，帮助理解量子效应在原子分子碰撞能量传递中的作用。要点2. 评述文章还介绍了一个趋近绝对零度量子散射共振在化学反应中发挥重要作用的例子。F+H2→HF+H 反应是星际化学中产生HF分子的重要过程。但是F+H2反应具有1.8 kcal/mol高度的势垒（629 cm-1），经典模型下在接近绝对零度时这个反应几率是完全可以忽略的。2019年，大连化物所研究团队通过利用H原子里德堡态标示时间飞渡谱技术，观测到了反应温度低至14 K（9.8 cm-1）时此反应仍然发生的证据，同时观测到了约 40 cm-1碰撞能的一个反应共振峰。进一步理论分析表明，F+H2在低温时的反应性，是通过反应共振态所增强的隧穿效应而产生的，而不是通常简单的隧穿效应，这也是在接近绝对零度下此反应仍然可以发生的原因。如果将共振态所导致的共振增强效应移除，F+H2（v=0，j=0）在10K温度以下的反应速率常数，会降低三个数量级以上。文章最后指出，趋近绝对零度量子共振的研究进展得益于新的分子束方法以及新的探测技术的发展，精确的理论和实验之间的互动推动这一领域的发展。量子散射共振研究有助于更加深刻理解气相碰撞中的传能以及反应过程，对于理解复杂体系如星际化学，大气以及燃烧等过程也具有重要意义。Tiangang Yang, Xueming Yang. Quantum resonances near absolute zero. Science. 2020DOI: 10.1126/science.abb8020https://science.sciencemag.org/content/368/6491/582
5. 南科大郭红卫Nature: 22nt siRNA重要生物学功能
RNA是生命遗传信息传递的核心载质，遗传信息从DNA到RNA到蛋白质构成了分子生物学的中心法则。RNA的种类和形式极为多样，新型肺炎冠状病毒（COVID-19）就是一种RNA病毒。RNA干扰是生物免疫病毒入侵的重要机制，RNA干扰通过长度为20-24个核苷酸单位（nucleotide, nt）的小RNA来调控靶基因RNA。小RNA，包括miRNA (microRNA)和siRNA (small interfering RNA)，对于动植物的生长发育和抗性至关重要。植物RNA在Dicer-like（DCL）蛋白的作用下，切割形成21-24nt长度的小RNA, 小RNA的长度决定了其发挥生物功能所采用的机制。模式植物拟南芥基因组一共编码四个DCL蛋白（DCL1-4），其中DCL1切割后产生 21-22nt miRNA，介导靶标mRNA切割或翻译抑制；DCL3切割后产生24nt siRNA，介导异染色质区域DNA甲基化，维持基因组稳定；DCL4 切割后产生21nt siRNA，介导靶mRNA或非编码RNA（ncRNA）的切割。然而，关于DCL2切割后产生的22nt siRNA知之甚少，尤其植物内源产生的22nt siRNA的种类、功能及作用机制尚不清楚。南方科技大学生物系教授郭红卫课题组通过在特定突变体中鉴定到大量植物内源22nt siRNA，揭示了拟南芥22nt小RNA介导翻译抑制与胁迫适应性的重要生物学功能，是植物小RNA领域的一项突破性研究成果。要点1. 研究人员发现当植物在缺乏氮素营养时，表现出生长发育抑制表型，并伴随产生大量内源22nt siRNA，包括来自于NIA1和NIA2基因的22nt siRNA，且NIA1和NIA2蛋白含量和转录水平也显著降低。进一步翻译组学研究发现，缺氮条件下植物总体翻译水平亦降低。基于以上证据，研究者提出一种植物响应缺氮胁迫的机制，即在极端缺氮条件下，植物通过降低NIA1/2转录和增加NIA1/2 22nt siRNA，抑制NIA1/2蛋白合成。NIA1/2负责将硝酸还原为亚硝酸，进一步被亚硝酸还原酶还原为氨根离子，作为氨基酸合成的重要原料，因此NIA1/2蛋白的缺失会减少氨的供应和氨基酸的积累，降低蛋白质翻译效率。植物通过这种降低蛋白翻译效率，减少极端营养缺失条件下能量消耗的方式，暂时抑制生长状态，同时激活自身胁迫反应，保证自身生存，也可谓是一种智慧。
要点2. 研究还发现，NIA1/2的翻译调控机制可能参与植物对其它环境胁迫的响应，例如植物胁迫激素脱落酸（Abscisic acid, ABA）和高浓度盐处理均调控NIA1/2 22nt siRNA的产生及其蛋白水平，暗示NIA1/2可能作为植物体内关键的调控节点，协调和平衡植物正常生长发育和胁迫响应。总而言之，该研究不仅揭示了22nt siRNA介导的翻译抑制，还发现了一种植物响应外界环境胁迫的新机制。Huihui Wu, Bosheng Li, Hiro-oki Iwakawa, Yajie Pan, Xianli Tang, Qianyan Ling-hu, Yuelin Liu, Shixin Sheng, Li Feng, Hong Zhang, Xinyan Zhang, Zhonghua Tang, Xinli Xia, Jixian Zhai & Hongwei Guo. Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation.Nature.2020DOI: 10.1038/s41586-020-2231-yhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2231-y
6. Nature: 功能化纳米材料单颗粒光谱学
“欲善其事，先利其器”，纳米材料新功能研发需要更高灵敏度和分辨率的光学显微仪器。经过近些年基础研究和诸多成像分析技术的突破，单颗粒光谱学展示了广阔的科学应用前景，单颗粒光谱学正在成为现代基础科研的“利器”。南方科技大学-悉尼科技大学生物医学材料与仪器联合研究中心主任、南科大生物医学工程系讲席教授金大勇合作研究团队概述了历年来不同类发光纳米材料在单颗粒层面的光谱学研究进展，回顾了从单颗粒光谱学技术中获得的新启发，展望了推进下一代单颗粒光谱学发展的机遇与挑战。文章指出，单颗粒光谱学技术将继续推进纳米级现有材料和未来材料光物理特性的表征，发光纳米粒子新功能的加入预计将在一些关键的科学技术领域带来革命性的变化，从八个潜在的方向推动单颗粒光谱学的发展。（一）超分辨单颗粒光谱学。光学衍射极限将继续限制先进单颗粒光谱仪的横向和纵向分辨率，解决方案将是结合现今发展的多种超分辨显微镜技术。（二）多模联用单颗粒光谱学。光电联用以及操控技术联用，结合多种荧光模态的测量方式，可以准确辨别纳米材料的每一结构信息是如何影响其总体光学特性的。（三）运用纳米镊子技术。非接触式捕获和操控纳米尺度的单个粒子，结合光谱学技术，将为基于纳米粒子的杂化组装器件开发提供机会。同时也可用于对距离和取向依赖现象的原位研究，例如不同类型的单纳米粒子之间的能量转移和力学动力学。（四）单颗粒表面特性表征。表面物质和电荷的不均匀性会导致纳米颗粒光学性质的不均匀性，从特定的分子靶向到纳米器件的自组装，几乎影响纳米颗粒的所有预期应用。引入远场拉曼光谱等方法将为表征纳米粒子的表面形态提供新的视角。（五）单颗粒的吸收测量。对于低量子效率的单纳米粒子或猝灭纳米粒子的荧光表征是无法得到单颗粒灵敏度的。一些技术方法也许能够用于单颗粒的吸收成像和光谱学测量。（六）单颗粒的量子效率测量。测量单颗粒绝对量子效率的挑战在于检测单个粒子吸收的光子数。替代方式是采用基于辐射和非辐射跃迁速率之比的测量方法，辐射速率的改变方法。（七）高通量光谱学和数据分析。要将单颗粒研究应用到常规样品分析中，需要高通量单颗粒光谱仪和数据分析自动化。使用商用高光谱成像系统或棱镜来分散光谱信息的宽场成像方案可以极大地提高检测通量和速度。机器学习可以超越传统数据分析的极限，识别和记录单个纳米粒子的光学特征，避免重复实验。（八）单颗粒光谱学标准化。纳米材料的许多群体性荧光测量方法要成为定量技术仍有待优化，因为不同研究组获得的结果可能会受到不同仪器设置和测量环境的影响。为了使得定量比较成为现实，单颗粒光谱学技术可以提供不同激发功率密度下发射光子的绝对数量。这种标准化的平台对非线性光学转换尤其重要。Jiajia Zhou, Alexey I. Chizhik, Steven Chu & Dayong Jin. Single-particle spectroscopy for functional nanomaterials. Nature. 2020DOI: 10.1038/s41586-020-2048-8https://www.nature.com/articles/s41586-020-2048-8
7. Nature：分子催化剂通过多米诺途径实现CO2至甲醇的电还原转化
利用可再生能源产生的电能驱动CO2还原是实现化学品和燃料可持续生产的一种有效途径，但该过程的效率受到其缓慢的动力学的限制。在众多CO2还原电催化剂中，分子类催化剂具有活性中心明确、结构调控容易的特点而被广泛研究。但是分子催化剂在催化性能上往往不如常用的贵金属催化剂，而且分子类催化剂大多只能实现CO2的两电子还原（如CO2还原成CO）。有鉴于此，耶鲁大学王海梁，南方科技大学梁永晔等团队合作，将酞菁钴分子（CoPc）负载在碳纳米管(CNT)上，制备CoPc高度分散在CNT上的CoPc/CNT复合催化剂；实验发现，以前用于将CO2还原制备CO的CoPc催化剂可以将CO2还原为甲醇，实现六电子还原反应。要点1. 在中性电解液中，-0.94 V（相较于标准氢电极）的电位下，可以实现>40%的甲醇转化法拉第效率以及>10 mA/cm2的甲醇分电流密度，相比此前的研究中普遍只能达到低于1%的转化效率以及低于1 mA/cm2的电流密度达到了质的提升。要点2. 作者发现，反应过程中甲醇的出现伴随着CO生成产率的降低，且当反应体系中通入CO替代CO2时，CoPc/CNT的确可以高效的催化产生甲醇，在-0.83 V的电位下可以实现28%的甲醇转化效率，这表明电催化CO2至甲醇的反应遵循一个多米诺过程：CO2先进行两电子还原至CO，CO这一中间态再进行四电子还原生成甲醇。要点3. 此外，CoPc分子在大过电位下被破环性的还原而失去反应活性，CoPc/CNT在CO2到甲醇的催化反应中存在不稳定的问题，反应5h以后甲醇的转化效率会降到1%以下。基于分子催化剂结构可调控的特点，作者通过在酞菁环β位引入4个给电子的氨基（NH2）基团解决了这个稳定性问题。得到的CoPc-NH2/CNT催化剂具有比CoPc/CNT更低的还原电位，在催化过程中结构稳定。经过12h的反应，甲醇的转化效率仍维持在28%，与初始的32%相当。Yueshen Wu, Yongye Liang*, Hailiang Wang*, Domino electroreduction of CO2 to methanol on a molecular catalyst. Nature, 2019DOI: 10.1038/s41586-019-1760-8https://www.nature.com/articles/s41586-019-1760-8
8. 南方科大/中科大Nature：实验证实三维量子霍尔效应！
20世纪80年代，科学家在二维电子系统中发现量子霍尔效应（QHE），使得拓扑在凝聚态物理中发挥核心作用。几十年来，不断有理论预测将QHE拓展到三维电子体系的可能性，但始终未能通过实验证明。有鉴于此，南方科技大学Liyuan Zhang、中国科学技术大学Zhenhua Qiao以及新加坡科技设计大学Shengyuan A. Yang等团队及其合作者在实验上从体相ZrTe5晶体中发现了三维量子霍尔效应。要点1. 研究人员在磁场下对块状ZrTe5晶体进行低温电传输测量，并在相对较低的磁场下实现计算量子极限，仅占用最低的Landau能级。在此区域，研究人员观察到无耗散纵向电阻率，接近于零，与霍尔电阻率平台中沿场方向的费米波长的一半成比例。这种响应具有3D QHE特征，强烈表明了在极端量子极限下，费米表面不稳定性受增强的相互作用效应驱动。要点2. 通过进一步增加磁场，纵向和霍尔电阻率都显著增加并且显示出金属-绝缘体转变行为，这表明了磁场驱动的另一个量子相变。总之，这项研究结果为3D QHE提供了可靠的实验证据，为进一步探索3D系统中的奇异量子相和跃迁提供了有用的平台。FangdongTang, Yafei Ren, Shengyuan A. Yang, Zhenhua Qiao, Liyuan Zhang et al. Three-dimensionalquantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe5. Nature2019.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9
