科教大事

科教大事

Nature

一項持續了65年的研究

1946年，科學家開始對英格蘭、威爾士和蘇格蘭在3月某一個星期生孩子的所有母親進行一項研究，其目的是了解生育的社會和經濟成本。近65年之后，這項研究仍在進行。1946年出生的孩子一直被跟蹤到成年，主要目的是研究兒童時代的健康及一生的社會境況怎樣影響成年后的健康。這個星期，當時的這組小孩慶祝他們65歲生日，這是很多英國人退休的年齡。所以現在，這項名為“全國健康與發育調查”的研究已成為一項關于衰老的研究。HelenPearson對1946年的這批人做了采訪，談到他們因參加這項研究而在科學上獲得了永生，并且對怎樣利用所積累的數據進行了分析。

神經元之間的連接與單細胞功能的聯系

由神經回路進行的功能計算的基礎是它們的連接，但要將神經元之間的復雜結構連接與各個細胞的功能聯系起來卻非常困難。現在，兩個小組將功能成像與在前所未有規模上進行的三維序列電子顯微圖像重建相結合，發表了小鼠視覺系統中單個細胞之間連接情況的詳細表述。“初級視皮層”中連接情況的研究發現抑制性神經元從具有各種不同功能的興奮性細胞接收輸入（見本期封面圖片），這與根據對小鼠皮層最近進行的生理研究所做預測是一致的。研究了方向敏感性視網膜神經節的選擇性是怎樣從它們與“無長突細胞”的連接中的非對稱性形成的。

原核細胞蛋白酶體調節亞基MecA-ClpC異六聚體結構與功能

ATP依賴蛋白酶的可調控蛋白質水解廣泛存在于大多數生命體中。細菌ClpC是Clp/Hsp100家族的重要成員，與該家族其它成員不同的是，ClpC的六聚體形成及其進一步的激活需要接頭蛋白MecA的參與。利用ATP水解的能量，激活后的六聚體MecA-ClpC分子能夠去折疊特異性蛋白質底物，并將生成的去折疊多肽鏈轉運到ClpP中降解。但是，MecA如何介導ClpC形成六聚體并激活ClpC的分子機制一直都沒有明確的解釋。清華大學生命科學學院施一公教授領導的課題組首次解析了枯草芽孢桿菌內蛋白酶體調節亞基MecA-ClpC復合物的三個相關晶體結構，揭示了六聚體MecA-ClpC復合物的組裝方式，闡明了MecA介導ClpC激活的分子機理，并提供了MecA-ClpC執行功能的結構基礎。這些發現對揭密其它Clp/Hsp100分子機器的組裝方式也有很好的借鑒作用，并且為研究真核生物內更為復雜的泛素－蛋白酶體系統提供了方法論和實驗基礎。

黑色素瘤中的癌基因BRAF和SETDB1

攜帶黑色素瘤病人最常見突變基因（癌基因BRAF(V600E)）的轉基因斑馬魚提供了一個研究黑色素瘤的簡便模型。本期刊登了LeonardZon及其同事的兩篇關于該模型在癌基因和藥物研發的應用前景。Ceol等人篩選了與突變BRAF基因協作的基因，在人類黑色素瘤中頻繁擴增額度區域發現了具有加速黑色素瘤形成能力的SETDB1基因。該基因產物是一種在黑色素瘤中常過表達的組氨酸甲基化酶。因此，SETDB1是重要的致癌基因。White等人在神經嵴細胞分化被中止的黑色素瘤易感型斑馬魚胚胎中發現了一個基因標簽的表達。化學篩選發現一種用于治療類風濕關節炎的藥物來氟米特（leflunomide）是一種神經嵴干細胞的抑制因子。來氟米特具有抗黑色素瘤的能力，并可能成為一種抗癌藥，尤其可能成為與BRAF抑制子聯合使用的抗癌藥。本期封面：黑色素細胞表達了SETDB1和BRAF-V600E基因的斑馬魚。

Science

動力蛋白馬達結構域的晶體結構

本期封面藝術呈現了沿微管移動的動力馬達蛋白，該圖基于Carter報道的動力蛋白馬達結構域的晶體結構。Carter的研究揭示了驅動纖毛擺動和胞內運輸的分子機器的結構，初步解釋了三磷酸腺苷水解能量轉換為運動的機制。

統計阿富汗的死亡人數

北大西洋公約組織領導的阿富汗軍事聯盟公布了平民傷亡的內部數據。本期封面是這些數據的可視化，在2009年1月（底部，接近地圖）至2010年12月（頂部）期間，阿富汗的月死亡人數不斷上升。在這段時間內，2537名平民被殺死（大點），5594名平民受傷（小點），以顏色編碼區分被武器和犯罪行為的平民。圖片由GeorgeMichaelBrower根據JohnBohannon的理念創作。

CN自由基H原子抽提的振動量子態特異反應動力學

溶劑碰撞常掩蓋了化學反應產物能量的初生態。利用瞬間紅外吸收光譜提供皮秒時間解析度的二氯甲烷溶劑中CN自由基與環己烷反應的圖譜。初生態產物HCN呈現出一個量子的C-H伸展及大到兩個量子彎曲。時間尺度在100至300皮秒間，HCN產物通過與溶劑結合而經歷了從松弛態至振動基態。本期封面是二氯甲烷溶劑（背景）中CN自由基與環己烷（分別以綠-藍和綠-黑球棒結構表示）。圖片：英國布里斯托大學化學學院DavidR. Glowacki提供。

揭示納米晶銅中超凡本征拉伸塑性

納米金屬材料（即晶粒尺寸在納米尺度的多晶金屬）是一種典型的高強材料，其強度比普通金屬高一個量級，但其幾乎沒有拉伸塑性。如何提高納米金屬的塑性和韌性成為近年來國際材料領域中的一項重大科學難題。最近，中科院金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室盧柯研究組在這一科學難題研究方面取得重要突破。他們發現，梯度納米（GNG）金屬銅既具有極高的屈服強度又具有很高的拉伸塑性變形能力。這種兼備高強度和高拉伸塑性的優異綜合性能為發展高性能工程結構材料開辟了一條全新的道路。梯度納米結構是指晶粒尺寸在空間上呈梯度分布。這種梯度納米結構的厚度可達數百微米。梯度納米結構層具有很高的拉伸屈服強度，最外表層50nm厚梯度納米結構的屈服強度高達660MPa（是粗晶銅的10倍），室溫拉伸實驗表明，具有梯度納米結構的表層在拉伸真應變高達100%時仍保持完整未出現裂紋，表明其拉伸塑性變形能力優于粗晶銅。這種優異的塑性變形能力源于梯度納米結構獨特的變形機制，微觀結構研究表明，梯度納米結構在拉伸過程中其主導變形機制為機械驅動的晶界遷移，從而導致伴隨的晶粒長大。這種變形機制與位錯運動、孿生、晶界滑移或蠕變等傳統的材料變形機制截然不同。

聲整流器

程建春 教授 南京大學物理學院聲學研究所

聲音信號探測可以應用于醫療診斷等眾多領域。然而，雖然電流和熱通量等其他能量形式的整流器已被證明，但是聲整流器卻至今仍未被實現。基于“聲二極管”較早期理論主張，我們首次實驗證明了聲波的整流能量通量。通過超聲造影劑微泡與超晶格組合制造出一維聲整流器。在雙頻波段顯著地觀測到與理論預測很好吻合的整流效應。在微泡懸浮的最佳濃度下，整流率可高達近1萬倍。聲整流器的實現具有相當的實際意義，如在醫療應用領域的超聲聚焦。

——摘自《NATURE MATERIALS》

飛秒激光直接琢刻實現可設計的3D納米制造

孫洪波 教授 吉林大學電子科學與工程學院

我們建立起飛秒激光直接琢刻（FemtosecondLaserDirectWriting, FsLDW）作為分子打印機，用以實現科學和工業領域過去不可能完成的操作，因其獨一無二的三維處理能力、可設計任意形狀、納米級的高制造精度、遠超光衍射限制。我們簡要評述了實現超高空間解析和平滑度的深層機制，并進一步討論了目前正在開發的FsLDW的規則和光化學策略。最后，我們介紹了微電子、微機械、微光學和微流體領域具體的納米成型方法的應用。

——摘自《NANO TODAY》

銅催化的N-和O-芳基化反應的配體依賴性選擇替代機制的解釋

傅堯 教授 中國科學技術大學化學系

帶有鄰菲羅啉配體銅-碘復合物催化的胺醇與碘苯的烏爾曼型反應中依賴配體的選擇性機制被單電子轉移和碘原子轉移機制。我們研究表明選擇性、氧化加成/還原消去機制也可以解釋選擇性。計算表明帶有鄰菲羅啉配體銅-碘復合物是電中性的，在胺醇溶液中芳苯基傾向于氧化加成到銅-碘復合物上。因此，胺醇協同僅發生在三價銅階段，氮協同優先于氧協同，協同步驟是速度限制階段。另一方面，銅-碘復合物帶正電荷，芳苯基的氧化加成到帶有鄰菲羅啉配體的銅-碘復合物必須得到去質子化的胺醇底物的協助。這種情況下，氧化加成成為限速步驟。氧化加成的中間產物經歷了輕微的還原消除。由于在氧化加成的過渡態去質子化的胺醇的氧協同優先氮協同，因此O-芳苯基更傾向于與鄰菲羅啉配體反應。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

碳和氮化硼納米管的近自由電子超原子態

楊金龍 教授

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室

依賴第一性原理（First-principlesTheory）我們研究了碳和氮化硼納米管的近自由電子（NearlyFreeElectron，NFE）態以及著名的pi*帶，研究發現了一系列軸上空間分布相似的一維NFE帶，其上原子軌道在水平面上重組。這些帶是最近發現的富勒烯的超原子及先前表到的低能NFE態的一維對應體。我們發現這些類納米管態的原子源于多體掃描。我們利用短程交換關聯結合長程庫侖作用的模型勢重建了密度方程理論計算得到的NFE狀態的能量和徑向波方程。當納米管半徑超過NFE態的徑向幅度，NFE態能量匯集了母代2D分子片層的像勢態的能量。為探究納米管構件NFE特性在分子電子學領域的可能應用，我們研究了橫向電場、堿金屬封裝及橫向和同心管二聚體的NFE態修改。

——摘自《NANO LETTERS》

對映體選擇性銅催化的分子內O-H鍵插入：一種合成手性2-羧基環醚的有效方法

周其林 教授 南開大學化學學院

我們通過手性二惡唑啉配體實現了銅催化的手性分子內O-H鍵插入omega-羥基-alpha-重氮甲酸酯。高度對映體選擇性分子內O-H鍵插入提供了一種不同大小和取代基的手性2-羧基環醚合成的有效方法。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

石墨稀上用于汞探測的自組裝十八硫醇單片層

方英 研究員 國家納米科學中心

我們研究了十八硫醇表面修飾石墨稀及其作為重金屬傳感器的應用。在忽略石墨稀表面由于底層非晶質二氧化硅介質基座產生的粗糙的情況下，烷醇分子可以在單層石墨稀表面自組裝成大尺度的高度有序的單片層。原子解析度的掃描隧道顯微鏡拍攝的二氧化硅基座上的修飾石墨稀片層圖像展示了自主裝結構的詳細特征。含有十八硫醇石墨稀的場效應晶體管可以成功用于10ppm級探測二價汞。

——摘自《NANO LETTERS》

超疏水棉布的洗滌耐久性

李景燁 研究員 中國科學院上海應用物理研究所

利用同步輻射誘導接枝聚合技術將商品化的含氟丙烯酸酯附在棉布上，我們制成了超疏水的棉布。超疏水的棉布表現出很好的洗滌耐久性，即使反復快速洗滌50次（相當于250次商業洗滌或家庭洗滌）仍能保持很好的超疏水特性。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

頂發射有機發光二極管的最新進展

黃維 教授 南京郵電大學

近年來，有機發光二極管（OrganicLight-emittindiodes，OLEDs）因其獨一無二的特性和在平板顯示領域的應用前景而得到了快速發展。頂發射OLEDs最顯著的優勢在于可以支持開發高解析度和大孔徑比的大型顯示屏和微顯示。在簡短地介紹了頂發射OLEDs的結構和類型之后，我們詳細地描述了頂發射OLEDs典型使用的微腔理論。然后，概述并討論了制造單色（紅、綠和藍）和白色頂發射OLEDs的方法。最后，簡要闡述了基于頂發射OLEDs的顯示技術的未來發展。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

基于納米絲的生物燃料電池為自供電納米設備提供電力

朱靜 科學院院士 清華大學材料科學與工程系

我們報道了一種基于單個質子導電聚合物納米線的納米絲基生物燃料電池，可利用葡萄糖氧化酶和乳糖酶作為催化劑將葡萄糖/血液等生物流體的化學能轉化為電流。葡萄糖從生物流體中補充，納米絲作為質子導體，整個電池僅為納米或微米大小。由納米絲組成的生物燃料電池可產生0.5-3muW的輸出電力，可組裝一組電池為納米級傳感器提供電力。我們展示了建造用于生物科學、環境控制和國防以及個人電子設備的自供電納米設備的可行性。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

鑭系金屬框架取代的MCM-22沸石：合成與特性

王軍 教授 南京工業大學化學化工學院

通過在中/弱酸性基質中共水解和縮合酸乙酯和鑭系金屬鹽類，然后切換到合成凝膠水熱晶化的基本條件，將鈰（Ce）和鑭（La）整合入MCM-22沸石框架中。在正庚烷加氫異構反應中Ce（La）-MCM22作為催化載體表現出明顯地促進效應。我們互補表征、催化劑測試、浸漬比較和離子交換配對等方法證明鑭系堿金框架取代。新合成策略勾畫出未來生產其它型雜原子分子篩的藍圖。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

硅納米管熱導率顯著下降

張剛 研究員 北京大學信息科學技術學院

我們通過在硅納米絲中部加入一個小洞來降低納米絲的熱導率，如構建一個納米管。我們計算結果表明一個很小的洞（僅減少了1%的橫截面積）可產生35%熱導率下降。在室溫條件下，相同橫截面積的納米管的熱導率僅為納米絲的33%。振動能量空間分布揭示定域模流主要集中在納米管內外表面。提高硅納米管表面積/體積比降低了決定熱導率降低的非定域模流的百分比。我們研究顯示，硅納米管是一種理想的低熱導率的熱電材料。

——摘自《NANO LETTERS》

單納米絲電化學設備

麥立強 教授 武漢理工大學

我們提出了一種新穎的單納米絲電極設備用于原位探測鋰離子電池設備電容衰減的內在原因。該設備以單釩氧化物納米絲或單Si/a-Si核/殼納米絲為電極，原位記錄充放電期間單納米絲的電子轉移，以探測納米絲的演化。我們的研究工作為單納米絲電極的電子轉移和結構與電化學特性提供了直接的聯系，該方法將有望成為納米電池診斷的前沿策略。

——摘自《NANO LETTERS》