.科研进展[J].中国科学院院刊,2010,(1):108-113.

科研进展

         研究组;研究成果;氧化物高温超导体;费米面;重要进展;环己酮;金属富勒烯;角分辨光电子能谱;反铁磁;分子筛

        在铜氧化物高温超导体中直接观察到费米口袋物理所周兴江研究组利用超高分辨率的真空紫外激光角分辨光电子能谱,在对铜氧化物高温超导体的电子

        　　物理所周兴江研究组利用超高分辨率的真空紫外激光角分辨光电子能谱,在对铜氧化物高温超导体的电子结构研究中取得重要进展。他们在实验上不仅直接观察到费米口袋的存在,而且观察到费米口袋和费米弧的共存。相关结果发表在2009年11月19日出版的Nature上,在超导领域引起强烈反响。

        　　最近一年多来物理所丁洪研究组,在前期研究工作基础上,和多个研究小组合作在铁基超导体方面取得了一系列研究成果,其中最突出的是用多个有说服力的实验结果揭示了反铁磁波矢相连的带间散射和费米面近似嵌套是导致铁基超导的最根本原因。

        　　在最佳空穴掺杂的Ba0.6K0.4Fe2As2样品中,他们发现超导配对强度随着内部的空穴型费米面(α)和电子型费米面的近似嵌套而增加,但外部非嵌套的空穴型费米面(β)的配对强度却相对较弱(EuroPhysics Letters)。而在最佳电子掺杂的BaFe1.85Co0.15As2样品中,费米面近似嵌套条件从α变到了β,从而β费米面上的配对强度变大(PNAS)。

        　　在过空穴掺杂的KFe2As2(Tc=3K) 样品研究中,发现和Ba0.6K0.4Fe2As2相比,该样品的两个电子型费米面由于过量的空穴掺杂而完全消失,表明通过反铁磁波矢相连的带间散射的存在与否直接影响到超导转变温度的高低(Phys. Rev. Lett.)。与此相对应,在过掺杂的电子型非超导铁基样品 BaFe1.7Co0.3As2(Tc = 0K) 中,他们发现该样品的两个空穴型费米面消失,这进一步表明了由反铁磁波矢连接的空穴和电子型费米面的共存对于铁基超导电性的存在具有决定性的作用(New Journal of Physics)。

        　　他们还发现Ba0.6K0.4Fe2As2 样品在25 meV处有个能带色散反常,该反常结构在温度高于超导转变温度后基本消失。此色散弯折在动量空间中的位置能够被反铁磁波矢相连。该结果表明该模式以及铁基超导体中的超导配对来源于反铁磁涨落,并支持反相位s??波配对对称性(Phys. Rev. Lett.)。

        　　上述工作引起了国际同行的广泛关注和重视,他们应邀在多个有关铁基超导的国际重要会议上做大会邀请报告。

        　　依托北京同步辐射装置(BSRF),高能物理所吴自玉研究组与中国环境科学研究院王琪课题组合作,利用X射线吸收谱学(XAFS)定性和定量分析手段对飞灰(又称之为“原灰”)和高温热处理过程中的收集物(称之为“二次飞灰”)中的铜和锌两种典型的重金属元素的化学形态进行了分析。结果表明,原灰中化学形态较为复杂的这两种重金属元素在高温热处理后收集到的二次飞灰中均主要以氯化物的形式存在,并符合重金属元素回收利用的标准。该工作的完成既表明氯元素是影响Cu和Zn挥发的主要因素,同时还证实了高温热处理方法能够有效地改善重金属元素的化学形态,达到防止二次污染和资源回收利用的双重目的。该研究成果先后发表在Journal of Synchrotron Radiation和Environmental Science & Technology上。这两篇文章均得到了审稿人的高度赞赏,他们认为这是利用同步辐射技术在环境科学问题中开展的又一项非常有意义的研究工作,进一步展现了同步辐射技术在环境领域的巨大应用前景。

        近年来,大连化学物理所李灿研究组利用自行研制的紫外拉曼光谱仪结合原位拉曼光谱技术对分子筛以及过渡金属杂原子分子筛的合成机理进行了系统的研究。通过研究典型分子筛(如X,Y和ZSM-5等)从原料开始到分子筛晶体生成的合成过程,检测合成过程中的关键物种,对分子筛骨架形成机理有了更深入的认识。最近,该研究组通过巧妙设计的原位紫外拉曼光谱池深入研究了AlPO-5分子筛的晶化过程,可以同时检测模板剂与分子筛的结构信息,发现了磷酸铝分子筛形成初期模板剂的振动与孔道结构形成之间的关联,检测到含有四元环的无定形孔道中间物,同时观测到了四元环向六元环转换的过程。为磷铝分子筛合成机理的确认提供了直接的实验证据。相关结果相继发表在Chem. Eur. J.、Angew. Chem. Int. Ed.上。

        

        理化技术所低温生物研究组博士生何志祝及其导师刘静研究员通过系列研究工作,建立了统一的各向异性反应扩散模型,并推导出广义的电信号传播关系式——Eikonal方程, 为研究心脏组织结构对电信号传播的影响构建了更接近真实的理论模型。研究成果发表在Phys. Rev.上,并引起关注。美国物理学会杂志编辑特别从美学角度将其中一幅数值模拟图纳入万花筒图片专题(PRE Kaleidoscope Images)。美国物理学会网站主页同时以主题为“各向异性斑图(Anisotropy Patterns)”的图片新闻进行了报道,认为论文中关于物质各向异性的研究对认识心脏搏动以及化学反应中的波传播等物理现象的机理非常有用。美国知名科技媒体Vertical News等也以“Study findings from Z. Z. He et al broaden understanding of physics”为题进行了报道。

        

        　　一维有机纳米结构的生长及器件研究受到了越来越多的关注,但是,关于一维有机纳米有序组装结构方面的报道却很少。理化技术所张晓宏研究组在前期研究工作的基础上,把简单的溶剂挥发生长纳米线和液??液界面的自组装方法结合在一起,实现了一步法制备有序排列的较大面积有机纳米线膜。研究表明,有序排列的纳米线膜可应用于光电器件制备,所制备的方酸染料纳米线器件具有良好的光开关性能。相关论文发表在Adv. Mater.上。Nature Photonics以“Nanoware films in order”为题报道了该进展。

        致病多肽聚集机理及其调控的单分子研究取得新进展

        国家纳米科学中心研究人员利用扫描隧道显微技术研究了阿尔茨海默氏病相关的多肽Aβ42以及II型糖尿病相关的胰淀素(Amylin)的组装机理,对于具有beta片层结构的多肽组装结构的解析和组装机理的解释提供了新的思路。在此工作基础上,他们报道了一种利用分子调节剂有效调控淀粉样蛋白聚集的新方法,利用类分子伴侣的调节效应不仅可以在分子水平上有效调控多肽的二维组装特性,而且可以调控多肽的三维聚集行为。该研究从分子水平上揭示了多肽与分子调节剂相互作用的机理,为与淀粉样蛋白聚集有关疾病的预防、药物设计和治疗提供了潜在的可行途径。有关研究成果发表在近期的Nano Lett. 上。

        

        　　环己酮是具有许多用途的化工原料,主要用于制备合成纤维尼龙6及尼龙66,还可用作医药、涂料、染料等精细化学品的重要中间体。苯酚加氢是制备环己酮的一条重要的途径。化学所胶体、界面与化学热力学院重点实验室的研究人员发现,路易斯酸和普通商业负载型钯催化剂对于催化该反应具有良好的协同作用,并在分子间相互作用和动力学研究的基础上提出了协同作用机理。路易斯酸不仅可以大幅度提高苯酚加氢生成环己酮的反应速度,而且可以有效地抑制环己酮被进一步加氢生成副产物的反应。因此,在温和条件下可高效地将苯酚转化为环己酮,苯酚转化率和环己酮选择性可同时接近100%。这不仅将反应物全部转化为产品,提高了原料的利用率,而且简化了后续分离过程。进一步研究发现,在超临界CO2中进行此反应,不仅反应速度更快、反应过程更清洁、产物分离更简单,而且反应效率可以通过反应体系的相行为进行调控。这一成果开辟了高效、清洁制备环己酮的新途径。该工作发表在近期的Science上。

        化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室的科研人员致力于新型内嵌金属富勒烯的合成与研究,继发现非常规富勒烯内包金属碳化物的内嵌富勒烯Sc2C2@C68、包含有4种不同元素的内嵌金属富勒烯ScYErN@C80等新结构金属富勒烯后,最近又合成了含有4个Sc原子的金属碳化物内嵌富勒烯Sc4C2@C80,这个分子具有类似俄罗斯套娃的新奇嵌套结构C2@Sc4@C80,每层的原子均可绕球心自由转动,由此保持整个分子高度完美的对称性。研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.上。这种结构金属富勒烯的发现不但丰富了金属富勒烯的种类,在结构化学方面具有重要意义,同时该分子本身在单分子器件、纳米器件以及高温超导等方面具有潜在的应用。该成果引起了国际科学界广泛关注,Nature Chemistry、Chemistry World、Chemical and Engineering News等杂志纷纷以“内嵌富勒烯:笼中之笼”、“与俄罗斯套娃富勒烯共舞”和“金属富勒烯套娃”为题进行了报道。

        

        诱导多能干细胞(iPSC)转化效率过低一直是困扰干细胞与再生医学应用研究的巨大瓶颈。广州生物医药与健康院首次将研究的着眼点从细胞核内部因子转移到细胞外培养条件,这个重大的革新性发现,能够将原先的每1万—10万个细胞才能有1个细胞转化为多能干细胞的低效率,提高1 000—10 000倍。Cell Stem Cell于2009年12月24日在线发表了该项成果,并且被选为2010年1月封面文章,这是来自中国的科研成果第一次获此殊荣。此项研究成果开启了干细胞研究的一个新的方向,在基础理论研究和应用研究等领域都有着重要的作用。该研究成果将使人们对维生素C的功效刮目相看,在人口健康、家畜繁殖、动物保护等领域都有着重要的作用。包括Scientific American、Science Blog、Physorg、The Medcial News、The Independent、I.R.I.B English Radio、Australian Life Scientist、Zikkir Health News、U.S. Department of Health & Human Services等几十家媒体报道了该研究成果。有的媒体甚至将该项成果称之为“柑橘奇迹”。

        

        　　“亚洲人群遗传多样性研究”作为“泛亚SNP计划”的第一期成果,于2009年12月10日发表在Science上,由国际人类基因组组织——泛亚SNP计划协作组的90多位研究人员共同完成。中科院马普学会计算生物学伙伴所和复旦大学的金力教授、计算生物学所的徐书华副研究员作为共同通讯作者负责数据分析和文章写作(另外两位通讯作者来自于新加坡国立基因组所),其他研究人员来自包括中国、印度、印度尼西亚、日本、韩国、马来西亚、菲律宾、新加坡、中国台湾、泰国以及美国在内的11个国家和地区。该研究从全基因组水平揭示了亚洲人群的精细遗传结构,系统阐明了亚洲人群遗传结构与地理分布及语言结构之间的关系,并发展了单倍型共享方法,深入探讨了亚洲人群起源、迁徙历史、人群融合模式以及人群遗传结构形成的机制。

        　　上海生科院生物化学与细胞生物学所丁建平研究组博士生董咸池和周旻昀等人解析了首个来源于古细菌的色氨酰tRNA合成酶的晶体结构,并利用该结构进行了基于结构的进化分析。该研究首次包含了分别代表生物界三界(真细菌、古细菌和真核生物)的生物体的色氨酰和酪氨酰tRNA合成酶的晶体结构,因而相比以往的TrpRS进化分析具有较高的可靠性。研究结果揭示了色氨酰tRNA合成酶起源于古细菌的酪氨酰tRNA合成酶,解决了长期以来关于色氨酰tRNA合成酶起源的争论。2009年11月26日,英国Nuclear Acid Research 在线发表了该研究成果。该论文受到了审稿专家和编辑的高度赞赏。他们认为其原创性和重要性列于该期论文中前5%,推荐为该期杂志的专题文章(feature article)。

        上海生科院神经科学所徐天乐研究员指导的博士后龚能及合作者利用GAT1敲除小鼠和GAT1特异性抑制剂No711,发现在小鼠海马CA1区,GABA通过作用于其受体GABA(A)调节theta节律刺激(TBS)诱导的长时程增强(LTP)形式的突触可塑性。这种theta节律性的刺激模式来源于脑电中观察到的theta振荡。通过在活体动物观察GAT1敲除后海马区的theta振荡,发现GAT1敲除显著降低theta节律的振荡频率。在观察到网络振荡和可塑性发生改变的同时,还发现GAT1敲除小鼠海马依赖的空间学习记忆能力明显受损。这项研究进一步证实了GABA及其受体在节律性神经网络活动(特别是theta振荡)、突触可塑性以及学习记忆等脑认知行为中的重要作用,也为开发针对学习记忆受损的脑认知相关疾病的有效药物提供了新线索。Journal of Neuroscience于2009年12月16日在线发表了该成果。

        

        　　甘草是治疗肝脏炎症性疾病的一种重要的基础中药组分,其有效的活性分子是18b甘草次酸,但其作用机制尚不清楚,这限制了其进一步的应用和药物创新研发。上海生科院/上海交大医学院健康科学研究所张雁云研究组博士生肖意传等发现,18b甘草次酸通过抑制趋化因子巨噬细胞炎症蛋白-1a(MIP-1a)而缓解了爆发性肝炎及急性肝衰竭的发生。深入的机制研究发现,18b甘草次酸是通过降低肝脏Kupffer细胞MyD88的表达,阻止其下游信号通路NF-kB的活化,使Propionibacterium acnes对Kupffer细胞的激活被抑制,MIP-1a产生减少。该研究不仅揭示了中药单体18b甘草次酸在急性肝炎模型中的抗炎症和保护肝脏作用的分子机制,也发现了对肝脏急性炎症及肝衰竭的可调控靶点,为进一步筛选相关药物和研究靶向治疗新策略提供了理论基础和实验依据。The Journal of Biological Chemistry在线发表了该成果。

        　　近年来,继在四川都江堰地区发现赤腹松鼠切除橡子胚芽现象后,动物所肖治术等研究人员在陕西秦岭地区发现岩松鼠也具有切胚行为。这个发现为洲际间动物行为的趋同进化提供了有力的证据。他们预测每种萌发型的扩散率与其频次有关,并可能为负选择作用或正选择作用。在野外条件下,他们通过操纵萌发橡子与尚未萌发橡子的比例来确定松鼠的行为反应和有关橡子的命运。研究结果表明每种萌发型的绝对扩散率和相对扩散率均随其频率的增加而增加,表现为正选择作用。他们首次在野外条件下为种子捕食者/扩散者的行为偏好可产生频率依赖选择作用提供了有力证据,并显示这种选择作用可能有助于维持猎物种群的表型变异和促进猎物物种的共存。Behavioral Ecology在线发表了上述研究成果。该研究得到审稿专家的一致好评,认为该研究首次验证了频率依赖选择假说在种子萌发表型变化中的作用。

        祁连双列齿兽是1997年由古脊椎动物与古人类所李锦玲以及地科院程政武等命名,化石材料包括一头骨后半部以及不完整下颌。当时受材料所限被归入始巨鳄类。最近,该所刘俊研究员及其同事发现了祁连双列齿兽的一件新材料,这是目前已知最原始也是最早的异齿兽类。在这件新材料中,发现双列齿兽具有短的吻部、上升的颧弓等特征,这些都表明双列齿兽属于异齿兽类;双列齿兽还保留了许多原始的下孔类特征,例如分化的齿系,犁骨、腭骨保留牙齿。这个材料提供了异齿兽早期演化的信息,有利于解开其起源之谜;它的发现支持异齿兽类起源于劳亚大陆而不是以前认为的冈瓦纳大陆。该研究也表明南非的Patranomodon并不如以前认为的那么原始。文章发表在Proc. R. Soc. B上,并被2009年12月17日出版的Nature的“研究拔萃”栏目报道。参与研究的还有南非Witwatersrand大学的Bruce Rubidge以及古脊椎所的李锦玲。

        

        高功率单频激光在引力波探测、相干通信、激光雷达、光参量振荡以及相干组束等众多领域具有重要作用。主振荡光纤功率放大(MOPFA)技术可在保持激光良好光束质量和单频特性的同时,提高激光输出功率,是实现高功率单频激光的重要技术途径。上海光机所漆云凤、刘驰、周军、楼祺洪和陈卫标等人合作研发的单频光纤放大系统已成功应用于高功率激光的相干组束技术中,并获得了理想的相干效果。研究成果以“单频线偏振MOPFA光纤级联放大系统及其在高占空比相干组束的应用研究”为题发表在Applied Optics上,并在封面刊登了该项研究成果图片。