Science Bulletin 2023年第4期

Science Bulletin

2023年第4期

This cover image depicts the use of FIB-SEM technology to analyze the structural evolution in the Si anode. By providing a clearer picture of the structural evolution in Si anodes from different scales, the proposed strategy might be suitable for characterizing other electrode materials with significant morphology changes (see the article by Chen Zhu on page 408).

Quantitative analysis of the structural evolution in Si anode via multi-scale image reconstruction

多尺度的硅负极定量三维重构

朱晨, 陈诗名, 李珂, 尹祖伟, 肖荫果, 林海, 潘锋, 杨卢奕

为了深入了解硅基负极在循环过程中的结构演化, 本文首次应用电极和颗粒水平多尺度的三维图像重建技术, 对微米硅负极在电循环过程中的结构进行了可视化的定量表征; 通过分析电解液中氟代碳酸乙烯酯(FEC)添加剂的影响, 生动展示了硅负极的结构/成分演变与电化学性能之间的联系. 利用聚焦离子束和扫描电子显微镜(FIB-SEM)技术, 对电极中的三种组分(硅活性颗粒, 非活性组分和孔隙)的体积和形状变化进行了定量的分析, 并统计了循环过程中硅颗粒的平均尺寸. 结合电化学分析结果表明, 电解液FEC添加剂可以在硅负极的循环早期形成稳定的固态电解质界面(SEI), 从而有效抑制硅颗粒的巨大体积膨胀和粉化现象, 提高电极的循环稳定性. 本文提出的方法为具有类似体积膨胀问题的电极体系提供了新的研究视角.

Science Bulletin, 2023, 68(4): 408-416

NEWS & VIEWS

Fibre batteries embracing wearable electronics

纤维电池助力可穿戴电子设备

欧阳兆锋, 赵孝菊, 孙浩

Science Bulletin, 2023, 68(4): 353-355

Immune checkpoint blockades therapy of melanoma

黑色素瘤的免疫检查点阻断疗法

刘洪, 欧家芮, 洪明奇, 陈翔

Science Bulletin, 2023, 68(4): 356-358

Geological confirmation for water-effected incipient melt origin of seismic low velocity zone (LVZ) beneath ocean basins

大洋地幔地震波低速带(LVZ)起源于由水导致的微量初始熔体

牛耀龄

Science Bulletin, 2023, 68(4): 359-363

Iron-bearing minerals indicate sea-level rise of the East China Sea inner shelf since the last deglaciation

含铁矿物指示末次冰消期以来东海内陆架的海平面上升

刘喜停, 谷玉, 董江, 李安春, 庄光超, 王厚杰

Science Bulletin, 2023, 68(4): 364-366

RESEARCH HIGHLIGHT

Trisaminocyclopropenium ion (TAC⁺) enables contiguous C–H bonds oxygenations via oxidative electrophotocatalysis

三氨基环丙烯离子(TAC⁺)催化的光电协同邻位C–H 键接力氧化

岳会锋, 朱宸, Magnus Rueping

Science Bulletin, 2023, 68(4): 367-369

Energetic regenerative medicine based on plant photosynthesis grafted human cells

基于植物光合系统赋予人体细胞能量的再生医学

王经琳, 黄丹青, 赵远锦

Science Bulletin, 2023, 68(4): 370-372

Amphiphilic graphene oxide membranes for oil–water separation

两性氧化石墨烯膜及其油水分离

铁璐, 刘维民

Science Bulletin, 2023, 68(4): 373-375

Hierarchical levels of the ginkgo seed shell

银杏种子壳的多级结构

孙静, 王钻开

Science Bulletin, 2023, 68(4): 376-378

PERSPECTIVE

Geovirology: viruses and their roles in geological history

地质病毒学: 地质历史时期的病毒及其作用

谢树成, 朱秀昌, Thomas Algeo, 邱轩

Science Bulletin, 2023, 68(4): 379-382

SHORT COMMUNICATION

Medical Sciences

Identification of a novel frameshift mutation in the SCNN1B causing Liddle syndrome

一个Liddle综合征新SCNN1B基因移码突变的鉴定

曲艺, 卢伊婷, 张迪, 刘欣畅, 范鹏, 陈洁欣, 张涵波, 杨坤璂, 田涛, 周怡, 张琼钰, 张钰, 王林平, 黄卓, 刘亚欣, 胡爱华, 周宪梁

Liddle综合征是一种由编码肾小管上皮细胞钠离子通道(ENaCs)的SCNN1A、SCNN1B及SCNN1G基因突变引起的罕见单基因遗传性高血压, 基于基因检测技术进行确诊并及时给予对应治疗可显著改善患者预后. 由于发病率低, 相关突变位点报道少, 目前Liddle综合征突变位点谱仍不完善. 本研究通过对野生型及突变型ENaCs重组非洲爪蟾卵母细胞进行膜片钳检测, 首次确定了SCNN1B基因中一个移码突变c.1691_1693delinsG对Liddle综合征的致病性. 进一步研究结果表明, 突变型非洲爪蟾卵母细胞ENaCs电流显著增加, 这与已知的Liddle综合征发病机制一致. 此外, 本研究通过对该家系中接受阿米洛利/氢氯噻嗪复方制剂治疗的7名患者进行为期12个月的观察研究, 发现所有患者血压控制理想, 血清钾离子、血浆肾素及醛固酮水平正常, 无心血管事件及严重药物不良反应发生. 本研究有助于扩大Liddle综合征的基因诊断谱, 并为该病的治疗方案提供参考.

Science Bulletin, 2023, 68(4): 383-387

Earth and Environmental Sciences

High downward surface solar radiation conducive to ozone pollution more frequent under global warming

实现世卫组织新臭氧标准的挑战在哪里？

寇文彬, 高阳, 张绍晴, 蔡文炬, 耿冠楠, Steven J. Davis, 王宏, 郭修文, 程文轩, 曾欣然, 马铭晨, 王厚文, 王俏巧, 姚小红, 高会旺, 吴立新

世界卫生组织2021年提出了新的臭氧标准, 不仅加严了原有的短期暴露标准, 还增加了暖季峰值的长期暴露指标. 2019年秋季我国发生了大范围臭氧污染事件, 特别是珠三角地区臭氧浓度异常增加最为突出, 导致其暖季峰值超标, 并且2019年长时间臭氧污染事件增幅更大. 本文发现地面太阳辐射与臭氧年际变化相关性远高于其他气象因子, 即使在温度较低时, 较强的太阳辐射依然可促进高臭氧浓度累积. 数值模式显示强太阳辐射驱动天然源大幅增加, 不仅促进臭氧浓度升高, 更重要的是, 对于长时间臭氧污染事件频率增加大于短期污染事件, 从而大大促进臭氧超标天数的增加. 结合高分辨率地球系统模式和多模式比较计划, 一致揭示在全球变暖下中国东部、美国东南部、欧洲各国，未来地面太阳辐射显著增加. 通过将秋季地面太阳辐射日异常标准化, 构建了臭氧气象指数, 可有效揭示高臭氧浓度, 阐明在北半球多个易发生臭氧污染区域, 高臭氧气象指数天气发生频率显著增加, 即利于高臭氧污染发生的气象条件在全球变暖下可能会更加频繁地发生.

Science Bulletin, 2023, 68(4): 388-392

The early milk consumption on the Tibetan Plateau

青藏高原发现3000年前的奶制品

张予南, 高玉, 杨继帅, 王彦人, 王韵铭, 汪椿鑫, 范安川, 申旭科, 童艳, 拥措, 马志坤, 凌智永, 王辉, 杨晓燕, 陈发虎

奶制品的出现是新石器时代次级产品革命的标志之一, 代表着对动物奶、毛、畜力等可以反复利用资源的开发, 为早期农业和游牧社会的发展提供了基础. 青藏高原人群现代食谱中肉、奶比例相对较高, 但缺少史前奶制品利用的直接证据. 陶器是新石器时代古人最常用的烹饪和储存工具, 检测陶器残留物的脂肪酸组成及碳同位素分布可以指示动物肉类和奶类来源. 本文对西藏日喀则南木林县海拔约4000 m的共塘遗址出土陶片进行了脂质残留物分析, 结果显示大约3000年前, 在雅鲁藏布江中游地区, 奶制品消费伴随着当地的牛羊等家养动物同时出现.

Science Bulletin, 2023, 68(4): 393-396

ARTICLES

Physical Sciences

Supercomputing and machine learning-aided optimal design of high permeability seawater reverse osmosis membrane systems

超算与机器学习辅助高渗透性海水反渗透膜系统优化设计

罗玖, 李明恒, Eric M.V. Hoek, 衡益

当前, 高渗透性反渗透膜材料的研究引起了广泛的关注, 然而高渗透导致的浓差极化与膜污染加剧等瓶颈问题限制了高性能膜材料的应用发展. 本工作采用机器学习结合超级计算提出了针对先进反渗透膜材料的组件进水隔网(亚毫米级)与系统(米级)的多尺度优化设计新方法. 在进料含盐度35,000 ppm, 回收率50%典型工况下, 对标目前国际先进海水反渗透淡化工艺, 本文提出的优化方案能使淡水制备比能耗(1.66 kWh/m3)降低27.5%, 所需膜面积减少约37.2%, 系统最大浓差极化因子控制在工程允许范围以内(<1.20), 可有效缓解高渗透膜系统中膜污染问题, 为高性能膜材料精准设计提供理论依据、计算工具和大数据支撑, 有重要的应用潜力. 本文提出的机器学习结合超算的多尺度设计新研究范式, 突破了基于“试错法”的传统单一尺度组件设计限制, 高通量并行计算规模可扩展至93,120核以上, 较串行算法计算效率提升3000倍以上, 可大幅度缩短高性能膜组件的设计周期.

Science Bulletin, 2023, 68(4): 397-407

Optical bulk-boundary dichotomy in a quantum spin Hall insulator

量子自旋霍尔绝缘体Bi₄Br₄体与边缘的可区分的光学性质研究

韩俊峰, 毛鹏程, 陈海龙, 殷嘉鑫, 王茂原, 陈东云, 李永恺, 郑靖川, 张旭, 马大帅, 马琼, 余智明, 周金健, 刘铖铖, 王业亮, 贾爽, 翁羽翔, M. Zahid Hasan, 肖文德, 姚裕贵

量子自旋霍尔绝缘体拥有具有带隙的体态和无能隙的一维拓扑边缘态. 然而, 由于拓扑边缘态局域在纳米尺度, 所以很难用光学手段直接观测并区分体态和边缘态, 这就限制了对拓扑边缘态独特的光学特性和光电响应等方面的研究和应用. Bi₄Br₄体材料的台阶存在一维非平庸的边缘态, 多个台阶累加的效应使得通过较为宏观的光学和光电分析手段来研究一维边缘态成为可能. 该工作利用中远红外显微吸收光谱和泵浦探测光谱, 对比研究了Bi₄Br₄体和边缘的光学响应行为. 研究发现Bi₄Br₄的边缘在小于带隙(约0.22 eV)的波段存在明显的强于体内的红外吸收, 且该吸收呈现较强的各向异性. 室温下的红外泵浦探测首次观察到边缘处载流子激发态超长的弛豫时间(1.5 ns), 该激发态载流子寿命要比体内载流子寿命长两个量级. 该工作证实体态和拓扑边缘态具有明显不同的光学和光电响应行为, 为未来设计新型红外探测器提供了材料和物理基础.

Science Bulletin, 2023, 68(4): 417-423

Earth and Environmental Sciences

Global assessment of nature’s contributions to people

评估全球自然对人类的贡献

刘焱序, 傅伯杰, 王帅, Jonathan R. Rhodes, 李琰, 赵文武, 李长嘉, 周沙, 王晨旭

自然对人类的贡献(nature’s contributions to people, NCP)是指大自然对人类生活质量的一切积极贡献和消极影响, 分为10个调节型NCP、4个物质型NCP和4个非物质型NCP. 但目前这些NCP的全球时空分布及其相互作用规律尚不清楚, 直接制约了加强自然界多种有益贡献的生态系统管理实践. 本研究构建基于指标体系的评价方法, 结合生态系统演变、气候变化与人类活动全球尺度多源空间数据集, 在全球范围内对1990~2018年所有18个NCPs进行空间制图, 在15,204个流域单元上识别主导了NCP组合, 并基于NCPs时空特征识别了全球景观变化的功能权衡关系和景观多功能性. 结果表明, 全球大部分NCPs的高值仅在局地出现. 1992~2018年, 6个调节型NCP、3个物质型NCP和2个非物质型NCP下降. 29种调节型和物质型NCP组合(总共有54种组合)的主导流域占全球76%的陆地面积, 而无NCP主导的流域占全球陆地面积的22%. NCPs变化的协同关系比权衡关系更为常见, 但调节型和物质型NCP之间的关系普遍处于权衡状态. 过渡气候地区的NCP相对少, 并具有强烈的权衡关系; 而低纬度地区NCPs之间的高度协同关系可能受到未来气候变化的影响. 研究结果提供了对全球NCP空间变化规律的总体认知, 可用于科学支撑区域景观功能的关系调控和景观多功能性提升, 以增强全球人类福祉.

Science Bulletin, 2023, 68(4): 424-435

Why supercontinents became shorter lived as the Earth evolved

为什么地球上超大陆的寿命变得越来越短了?

黄川, 李正祥

地球上的主要大陆地块在过去的20亿年间以来曾经三次聚合成一个超大陆, 但一段时间以后又发生裂解. 这种大陆地块的周期性聚合和裂解现象被称为超大陆旋回. 地球通过超大陆旋回控制着地表的造山运动、成矿过程、大洋及超大洋的形成与闭合, 甚至大气圈与生命圈的演化. 但一个有趣的观察是, 已知的由老到新的努纳(也称哥伦比亚)、罗迪尼亚(最早音译鲁迪尼亚)和盘古三个超大陆的寿命显示出一个逐渐递减的趋势, 其分别为大约3亿年, 2~2.5亿年和1.5亿年, 反映出控制地球长期演化过程的某种重要的内在原因. 本文通过超级电脑地球动力学三维建模发现, 导致超大陆寿命不断减短的主要原因在于形成于超大陆内部的新的造山带的强度随着地球的年龄增大而逐渐减小, 并进而提出这与地球的长期冷却过程有关. 因为地幔温度随着地球年龄的增长在不断降低, 上地幔岩石部分熔融的程度也在不断降低, 因此造成新生造山带的岩石圈厚度不断减薄, 强度降低. 此外, 沿新生造山带的岩浆底侵对板块缝合线及大断裂的岩浆缝合作用可能也会随之减弱.

Science Bulletin, 2023, 68(4): 436-440

END