先進材料

高功率旋轉電荷泵浦摩擦納米發(fā)電機

中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團隊成功將電荷泵浦策略應用于旋轉式摩擦納米發(fā)電機（Rotary charge pumping triboelectric nanogenerator，RC-TENG）中，實現(xiàn)了低頻激勵下的高輸出性能。研究論文發(fā)表于Advanced EnergyMaterials。RC-TENG由主TENG和泵浦TENG兩部分構成，泵浦TENG為普通旋轉式TENG結構，主TENG主要包括存儲電極和輸出電極。兩部分通過一種新穎的同步旋轉結構連接，使電荷可以高效可靠地從泵浦TENG注入主TENG的存儲電極中。這些存儲電極中的約束電荷可產生類似于摩擦表面電荷的作用，在輸出電極中產生感應輸出。

高功率旋轉電荷泵浦摩擦納米發(fā)電機。（a）器件的基本結構爆炸視圖；（b）器件的電極結構和電路連接示意圖；（c）一對泵浦TENG驅動四個主TENG的典型輸出短路電流和轉移電荷量；（d）一對泵浦TENG驅動四個主TENG的功率輸出，驅動頻率2Hz；（e）器件在低頻驅動下輸出的電能可點亮一組燈。（圖片來源于中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所網(wǎng)站）

輕量化液態(tài)金屬物質

清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系劉靜教授課題組首次提出了輕量化液態(tài)金屬物質的概念，并展示了這一全新材料的特性和用途。研究論文發(fā)表于Advanced Functional Materials。文章特別以共晶鎵銦合金及中空玻璃微珠為典型代表，制備出了密度僅為水的一半以致可漂浮于水面的輕量化液態(tài)金屬復合材料。這種材料除保留了純液態(tài)金屬良好的導電性、導熱性、力學強度及固液相變特性外，還擁有可塑性、可變形性乃至磁性等行為，作者們?yōu)榇嗽O計了系列平面及三維應用場景，并引入不同封裝方式實現(xiàn)了對材料漂浮行為的調控，展示了水面電路及水中機器人的潛在應用。

晶界調控提高釹鐵硼熱變形磁體磁性能研究

中國科學院寧波材料技術與工程研究所稀土永磁團隊先后開發(fā)出添加納米WC高熔點相和預擴散Pr-Cu低熔點相兩種晶界調控方法，通過有效抑制界面粗晶區(qū)大幅提高了磁體的矯頑力，同時揭示了界面調控抑制粗晶區(qū)形成的機理。相關研究成果論文發(fā)表于Acta Materialia。釹鐵硼熱變形磁體由于具有磁能密度高、稀土用量少、制備流程短、易于實現(xiàn)近終成型等優(yōu)點，在變頻家電、綠色交通、智能制造等領域具有廣闊的市場前景，巨大的應用需求也反向推動了提高熱變形磁體磁性能的研究。然而，熱變形磁體內顆粒界面處存在的無取向粗晶區(qū)對剩磁和矯頑力都具有嚴重的負面影響。該研究豐富了熱變形磁體的晶界調控理論。

非富勒烯三維網(wǎng)絡結構的高效太陽能電池受體材料

南方科技大學化學系副教授何鳳課題組合成了一種定位三氟甲基取代的高效有機太陽能電池受體材料，該材料可通過H/J聚集的協(xié)同作用形成具有更多電子跳躍傳輸結點的三維網(wǎng)絡結構，極大改善電荷在分子間的傳輸，大幅提高器件性能。研究論文發(fā)表于Joule。有機非富勒烯小分子受體材料設計合成簡單，能級可調，在可見光甚至是近紅外區(qū)域有較強吸收。研究團隊成功地將三氟甲基引入到稠環(huán)電子受體中，得到了超窄帶隙受體BTIC-CF3-γ，并將其應用于太陽能電子器件中，極大地提高了器件的能量轉換效率，充分體現(xiàn)出光譜紅移和超窄帶隙的優(yōu)勢，在多元體系、半透明器件和疊層器件應用方面展示出非常有潛力的前景。

單原子層溝道的鰭式場效應晶體管

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心韓拯、孫東明等與國內外合作者首次演示了可陣列化、垂直單原子層溝道的鰭式場效應晶體管。研究論文發(fā)表于NatureCommunications。研究人員設計了高～300nm的硅晶體臺階模板，通過濕法噴涂化學氣相沉積（CVD）方法，實現(xiàn)了與臺階側壁共形生長的過渡族金屬硫化物單原子層晶體（MoS2、WS2等）。通過采用多重刻蝕等微納加工工藝，制備出以單層極限二維材料作為半導體溝道的鰭式場效應晶體管，同時成功制備出鰭式場效應晶體管陣列。嘗試引入碳納米管替代傳統(tǒng)金屬作為柵極材料，結果顯示該材料比傳統(tǒng)金屬柵具有更好的包覆性，可以有效提高器件性能。

可陣列化的單原子層鰭式晶體管形貌圖。（陣列最小間距為50納米）（圖片來源于中國科學院金屬研究所網(wǎng)站）

單原子層溝道的鰭式場效應晶體管。a）硅工藝FinFET的溝道材料、垂直二維原子晶體與單根碳納米管尺寸對比示意圖。b）器件結構示意圖。插圖為截面示意圖。c）臺階共形生長的單層二維過渡族金屬硫化合物示意圖。d-e）臺階模板掃描電鏡照片，其中標尺分別為100納米（左）和1微米（右）。（圖片來源于中國科學院金屬研究所網(wǎng)站）

超低功耗二維柔性神經形態(tài)器件光電協(xié)同調制新策略

復旦大學微電子學院副研究員陳琳、研究員孫清清等利用二維層狀MoS2制備具有光電協(xié)同調制功能的可穿戴仿人腦神經形態(tài)器件，首次實現(xiàn)可穿戴仿生神經突觸器件的aJ級別超低功耗，遠低于生物功耗水平，為超低功耗、多端調制的可穿戴式類腦計算器件的應用開辟了新的道路。研究論文發(fā)表于Advanced Science?？蒲袌F隊設計了一種基于柔性二維MoS2的異質突觸，成功實現(xiàn)生物體內的長時程可塑性，將長時程增強（LTP）和長時程抑制（LTD）過程中的能耗降低至為18.3aJ/脈沖和28.9aJ/脈沖，為神經形態(tài)計算系統(tǒng)提供了一條比人腦更出色的處理信息的途徑。

3D打印復雜結構仿生骨支架

中國科學院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與常江研究員帶領的研究團隊在3D打印仿哈弗斯骨結構生物陶瓷支架用于多細胞遞送和骨組織再生方面取得新進展。研究論文發(fā)表于Science Advances。大段骨缺損的修復是臨床上的一大挑戰(zhàn)，3D打印技術由于精度高、可個性化定制而廣泛用于制備骨組織工程支架。該研究通過模擬骨的多級結構及多細胞組成，采用光固化3D打印技術制備出仿哈弗斯骨結構生物陶瓷支架，并負載骨髓間充質干細胞和內皮細胞，促進血管化骨的修復。該設計體現(xiàn)了這種基于仿哈弗斯骨結構支架的多細胞遞送系統(tǒng)的普適性特征，可模擬體內多細胞組織工程的再生微環(huán)境。

界面聚合過程調控制備具有亞埃級超高分離精度的納濾膜

中國科學院蘇州納米所靳健研究員課題組與美國范德堡大學林士弘教授課題組合作，設計開發(fā)了一種利用表面活性劑自組裝有序單分子膜調控界面聚合過程（SARIP），制備具有超窄孔徑分布的薄膜復合納濾膜（TFC-NF）的策略，實現(xiàn)了亞埃級的分子/離子的高精度分離。研究論文發(fā)表于Nature Communications。研究者在油水界面處引入由陰離子表面活性劑——十二烷基磺酸鈉（SDS）形成的自組裝有序單分子膜，該有序排列的單分子膜極大地改變和調控了PIP單體的跨界面擴散行為。SARIP被證明是一種調控單體擴單行為，進而調控界面聚合反應，獲得具有超窄孔徑分布和超高精度分離性能的薄膜復合納濾膜的有效策略。

植物科學

水稻花粉萌發(fā)孔發(fā)育新機制

上海交通大學生命科學技術學院梁婉琪研究組在植物花粉發(fā)育研究中取得新進展，證明水稻中的凝集素受體激酶OsDAF1（DEFECTIVE IN APERTURE FORMATION1）和未知功能蛋白OsINP1相互作用共同決定單子葉水稻花粉萌發(fā)孔的形成和發(fā)育模式。研究論文發(fā)表于Nature Plants。該研究首次報道了導致不同物種花粉萌發(fā)孔形態(tài)差異的重要因素，為揭示谷類糧食作物花粉發(fā)育過程中花粉的表面模式形成、萌發(fā)孔極性建立的分子機制提供了新線索。花粉是開花植物的雄配子體，在植物有性生殖、物種繁衍以及糧食生產中扮演重要角色。水稻、玉米、小麥等禾本科的糧食作物具有類似的花粉萌發(fā)孔的形態(tài)。

OsINP1和OsDAF1協(xié)同控制水稻萌發(fā)孔形成的作用機制（圖片來源于上海交通大學新聞學術網(wǎng)）

擬南芥和水稻花粉形態(tài)對比（圖片來源于上海交通大學新聞學術網(wǎng)）

水生植物蓮的基因組進化研究

中國科學院武漢植物園王青鋒研究員、陳進明研究員等與合作者對蓮基因組古倍化進行了深入研究。研究論文發(fā)表于Molecular Biology and Evolution。研究發(fā)現(xiàn)蓮各類基因在古多倍化后的不同命運（如恢復單拷貝、全基因組復制遺留、持續(xù)小規(guī)模復制等）主要是由于功能層面的差異導致，主要反映在它們的表達調控、甲基化模式、蛋白互作網(wǎng)絡、功能富集等方面的顯著差異，并揭示這些差異化的功能約束對各類基因的微觀進化（如群體核苷酸多樣性、插入缺失頻率）及宏觀進化（物種間直系同源基因拷貝數(shù)變化）有重要的影響。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)蓮的古多倍化存在亞基因顯性現(xiàn)象，認為蓮可能曾是古老的異源四倍體。

農作物廣譜抗病的分子機制與育種策略綜述

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心何祖華研究組和美國俄亥俄州立大學/中國農業(yè)科學院植物保護研究所王國梁教授等受邀撰寫綜述文章，對不同作物已克隆廣譜抗病基因的功能、廣譜抗病的分子機制、廣譜抗病分子育種策略等進行了系統(tǒng)總結，并提出未來作物廣譜抗病育種可能遇到的挑戰(zhàn)及解決辦法。該論文發(fā)表于Annual Review of Plant Biology。植物在整個生長季節(jié)受到不同病原微生物的侵染，在與病原菌的長期的斗爭過程中，進化出一套先天免疫系統(tǒng)來抵抗病原菌的入侵。植物先天免疫系統(tǒng)主要包括兩層免疫反應：（1）PTI（PAMPs-triggered immunity）；（2）ETI （Effector-triggered immunity）。

植物轉亞硝基化酶被發(fā)現(xiàn)

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所植物基因組學國家重點實驗室左建儒研究組與合作者最近發(fā)現(xiàn)了植物特異的轉亞硝基化酶。研究論文發(fā)表于Developmental Cell。之前，科學家在動物和大腸桿菌已經發(fā)現(xiàn)了數(shù)個結構迥異的轉亞硝基化酶。在植物中，尚未發(fā)現(xiàn)轉亞硝基化酶。該研究發(fā)現(xiàn)擬南芥gsnor1突變體的抑制子突變ROG1介導GSNOR1的亞硝基化修飾導致其通過自噬途徑被降解，從而形成一個正反饋環(huán)調控NO信號通路。ROG1即為過氧化氫酶CAT3（catalase 3）。對水稻ROG1-like蛋白（OsCATA）和CAT2-like蛋白（OsCATC）的特異性酶活分析得出相似的結論，表明這是植物中一種高度保守的機制。

假蜜腺形成機制和生態(tài)功能研究

中國科學院植物研究所孔宏智研究組在假蜜腺形成機制和生態(tài)功能研究中取得新進展。研究論文發(fā)表于Nature Communications。研究發(fā)現(xiàn)，假蜜腺是一類微小的半球形突起結構，表面覆蓋有緊密排列的非分泌性表皮細胞，在紫外光和蜜蜂視覺下具有反光屬性；假蜜腺突起結構的形成和光學屬性的獲得與細胞分裂、葉綠體發(fā)育及蠟質形成相關基因的特異表達密切相關；背性基因NidaYAB5的異位表達是假蜜腺形成的關鍵，其表達下調會導致假蜜腺完全消失。通過對照研究發(fā)現(xiàn)傳粉者在缺少假蜜腺的花上的訪問頻率和訪花時間均顯著降低，訪花行為也發(fā)生了明顯改變，這表明假蜜腺具有視覺吸引和蜜導的作用。

大馬士革黑種草假蜜腺的光學特性和生態(tài)功能（圖片來源于中國科學院植物研究所網(wǎng)站）

溫帶闊葉樹和針葉樹通過不同的資源配置策略達到相似的功能平衡

中國科學院西雙版納熱帶植物園生理生態(tài)研究組與合作團隊在長白山利用林冠塔吊通過采集當?shù)爻Ｒ姷?4個闊葉及針葉樹種的冠層枝條，系統(tǒng)開展了兩者的比較解剖學研究。研究成果發(fā)表于Tree Physiology。研究發(fā)現(xiàn)在相似葉面積投入下，針葉樹種會投入更多資源用以構建更大的木質部面積，通過增加管胞面積減小射線細胞面積從而補償針葉樹種較低的導水率。同時，同等的葉面積下，針葉和闊葉樹種的韌皮部面積相似，表明兩者的糖分傳輸能力相當。這就說明針葉樹種以快速消耗碳資源為主，減少碳儲存的方式達到和闊葉樹種相似的生長速率，從而達到共生。

菌根起源基因參與苔蘚干細胞與配子體發(fā)育

中國科學院昆明植物研究所黃錦嶺研究員、孫航研究員等與合作者揭示了菌根起源基因參與苔蘚干細胞與配子體發(fā)育。研究論文發(fā)表于Nature Communications。菌根共生是一種古老而廣泛存在于陸生植物與真菌之間的互惠共生關系。文章揭示了從菌根類真菌轉移來的PpMACRO2基因通過ADP-核糖基化作用影響其他類型的表觀修飾機制（甲基化、乙?；?，進而調控與發(fā)育相關的轉錄因子AP2和Homeobox，最終參與干細胞及三維生長的配子體發(fā)育。該研究結果也表明菌根類真菌與植物之間的基因轉移在陸生植物重要性狀起源和演化方面發(fā)揮了重要作用。

葉綠體DNA重組修復的分子機制被揭示

華中農業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室、生命科學技術學院結構生物學研究團隊殷平教授等與合作者解析了植物葉綠體Holliday junction（HJ）解離酶序列特異性識別和切割DNA的分子機制。研究論文發(fā)表于Nature Communications。HJ是由英國生物學家Robin Holliday提出的DNA分子間的十字交叉結構，是同源重組過程中一類重要的DNA中間體，其對于DNA損傷修復及保持物種遺傳多樣性等具有重要意義。文章解析了植物葉綠體HJ解離酶MOC1單體以及結合HJ的復合體的晶體結構。鑒定了一個重要的DNA堿基識別環(huán)（base recognition loop）。從分子水平上對于HJ解離酶序列特異性切割HJ的科學問題進行了解答。

數(shù)理科學

智能計算成像研究進展

中國科學院上海光學精密機械研究所信息光學與光電技術實驗室與德國斯圖加特大學應用光學研究所、美國麻省理工學院合作，提出并實驗驗證了一種基于物理模型和深度神經網(wǎng)絡的新型計算成像方法，無需大量帶標簽的數(shù)據(jù)來完成神經網(wǎng)絡訓練，從而促進人工智能在計算成像中的應用。研究論文發(fā)表于Light: Science & Applications。研究人員利用物理模型替代訓練數(shù)據(jù)來驅動網(wǎng)絡參數(shù)的優(yōu)化。以相位成像來驗證了該方法的有效性，通過不斷迭代使神經網(wǎng)絡輸出結果經衍射傳播和測量過程（物理模型）后計算得到的衍射強度圖逐漸逼近實際測量的衍射強度圖，隨著迭代的進行，神經網(wǎng)絡輸出結果也逐漸逼近實際待求相位物體。

PhysenNet原理圖（圖片來源于中國科學院上海光學精密機械研究所）

實驗結果（a）實驗裝置圖；（b）和（g）兩個相位型物體的衍射強度圖分別為（c）和（h）; 利用PhysenNet、數(shù)字全息、GS方法恢復的結果分別為（d）和（i）、（e）和（j）、（f）和（k）（圖片來源于中國科學院上海光學精密機械研究所）

高階拓撲絕緣體理論研究進展

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心-國際量子功能材料設計中心與物理系喬振華教授課題組與美國德克薩斯大學奧斯汀分校牛謙教授合作，在理論預言低維體系高階拓撲絕緣體方面取得新進展。相關成果發(fā)表于Physical Review Letters。論文提出一種新的方案來實現(xiàn)從一階到二階拓撲絕緣體的操控，即通過在二維一階拓撲絕緣體上誘導出面內磁矩來實現(xiàn)二維二階拓撲絕緣體。一階拓撲絕緣體受時間反演對稱性保護；然而，面內磁矩的出現(xiàn)破壞了該對稱性，使得拓撲絕緣體變的拓撲平庸。同時，導電的邊界態(tài)也由于對稱性被破壞而變得絕緣不再導電，并且在兩個絕緣的邊界交界處，出現(xiàn)了零能電子態(tài)。

晶體手性判定新方法

上?？萍即髮W物質學院馬延航課題組與合作人員提出了一種使用電子顯微鏡確認晶體手性的新方法。研究論文發(fā)表于Nature Communications。手性在自然界中非常常見。兩個化學組分完全相同的手性異構體，其性質卻可能完全不同。一個典例就是手性沙利度胺（Thalidomide），一種對映體是有效的鎮(zhèn)靜劑，而另一種則可能導致胎兒畸形。該方法基于球差校正掃描透射電子顯微鏡原子分辨成像，通過拍攝單顆手性晶體沿不同帶軸的高分辨圖像，結合結構模型和圖像模擬，成功實現(xiàn)了在原子尺度上直接確認晶體的左右手性。該方法對于手性材料的手性判定有著重要意義。

太赫茲實時雙光梳光譜檢測研究進展

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所曹俊誠、黎華研究員領銜的太赫茲（THz）光子學團隊與華東師范大學曾和平教授合作，在太赫茲雙光梳光譜檢測領域取得進展。研究論文發(fā)表于ACS Photonics。研究團隊利用THz QCL光頻梳本身作為高速探測器，率先實現(xiàn)了緊湊型實時THz雙光梳光譜檢測系統(tǒng)。由于THz QCL是基于子帶間電子躍遷的半導體器件，其載流子弛豫時間在皮秒兩級，所以THz QCL在作為輻射源的同時也是一個天然的THz高速探測器?；诖嗽?，研究團隊克服傳統(tǒng)雙光梳系統(tǒng)需要外置高速探測器的限制，成功實現(xiàn)了基于自探測的THz實時雙光梳系統(tǒng)。

在能量景觀上構建“路徑圖”的計算方法

北京大學北京國際數(shù)學研究中心張磊副教授與數(shù)學科學學院張平文院士、博士生殷鑒遠等人合作，提出了在能量景觀上構建“路徑圖”的計算方法，可以尋找系統(tǒng)的多個極小和過渡態(tài)，并揭示不同鞍點解之間的連接關系。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。尋找能量景觀的全局極小和如何找到不同極小之間的關系始終是數(shù)學和物理領域中長期存在的兩個關鍵問題。論文提出的算法克服了傳統(tǒng)算法中選取合適初值的困難，可以更加有效地計算能量景觀的多個極小。同時，能量景觀上的“路徑圖”不但展示了不同解之間的連接關系，而且通過計算得到的動力學路徑揭示了隱藏的物理過程。

受限在方形區(qū)域中向列型液晶的路徑圖（圖片來源于北京大學數(shù)學科學學院網(wǎng)站）

利用PVDF線圈實現(xiàn)充液管道泄漏定位

中國科學院聲學所噪聲與振動重點實驗室高艷研究員等提出應用PVDF線圈進行管道泄漏定位的方案，它具有易安裝、低成本、靈敏度可調的優(yōu)勢，為塑料水管泄漏檢測與定位提供了新的傳感器設計方案。研究論文發(fā)表于Sensors。塑料管被廣泛應用于城市地下管網(wǎng)。由于水資源短缺和管道老化加劇的現(xiàn)狀，管道泄漏檢測維修技術成為保障管網(wǎng)安全運行的關鍵，這對管網(wǎng)實時監(jiān)測設備中泄漏噪聲傳感器的靈敏度與性價比提出了更高的要求。該線圈傳感器測試信號在低頻域（1kHz內）具有良好的相關性和相位線性關系，并與水聽器測試結果基本一致。分析線圈傳感器與水聽器結果的相位譜得到的漏點定位誤差在2%以內。

關于具有社團劃分功能的網(wǎng)絡模型研究

南京大學新聞傳播學院計算傳播學實驗中心助理研究員尚可可等與合作者在關于具有社團劃分功能的網(wǎng)絡模型研究方面取得進展。研究論文發(fā)表于應用數(shù)學與統(tǒng)計物理交叉性著名期刊Chaos。文章提出的進化規(guī)則在創(chuàng)建模仿病毒遺傳結構的網(wǎng)絡方面取得突破，特別是模仿COVID-19病毒基因演化網(wǎng)絡的已知公共數(shù)據(jù)。該模型的原理源自實際生活，即新團體的崛起會打破已有的資源分配格局，從而產生“新貴”，論文的初衷是對傳播結構網(wǎng)絡、社交網(wǎng)和經濟網(wǎng)絡的社團演化提供一個適配模型。然而，研究團隊意外發(fā)現(xiàn)該模型還能夠較好適配新冠狀病毒基因的演化網(wǎng)絡。

精確估計光度函數(shù)方法

中國科學院云南天文臺博士袁尊理、研究員王建成與英國牛津大學教授Matt Jarvis合作，基于現(xiàn)代統(tǒng)計學中的核密度估計原理，提出了一種精確估計光度函數(shù)的普適方法，它對于統(tǒng)計研究星系、活動星系核、伽馬暴等河外天體的演化性質有重要價值。研究論文發(fā)表于The Astrophysical Journal Supplement Series。光度函數(shù)是一個非?；镜慕y(tǒng)計量，它反映宇宙中某類天體的數(shù)密度隨紅移和光度（或星等）的變化情況。研究團隊利用蒙特卡洛模擬，發(fā)現(xiàn)新方法的估計精度要比經典的binning方法高出近一個數(shù)量級，穩(wěn)定性好，同時，新方法兼有參數(shù)方法和非參數(shù)方法的優(yōu)點。