科技·前沿 近期科研扫描

时 间:2019-08-05 07:31    

    

  7月9日,大学微电子所任天令教授团队在纳米领域重要期刊《美国化学学会纳米》(ACS Nano)上发表了题为《一种可穿戴的类肤性高灵敏石墨烯人工喉》(“A Wearable Skinlike Ultra-Sensitive Artificial Graphene Throat”)的研究论文。该器件集收声和发声于一体,可直接贴附于失语者喉部,并将喉部的不同动作为对应声音,有望帮助失语者正常与他人“交谈”。在未来,该器件将与声纹识别、机器学习等技术结合,在语音识别、家庭医疗等领域具有广阔前景。

  目前世界上喉癌患者数量日益增加,是仅次于肺癌的第二大呼吸道高发癌。大量喉癌患者需要采用全喉切除手术,成为后天型失语者。现有电子喉助音器无法清晰还原患者声音,发音模糊,训练周期长,并且需要患者自己手持助音器于喉部,造成极大不便,所以亟需便于失语者携带、操作简单、性能优异的新型人工喉的器件及系统研究。

  与2017年任天令团队首次提出的石墨烯人工喉相比,第二代石墨烯智能人工喉(WAGT)在器件柔性可贴附、声音收发系统集成、动作监测系统、轻型可穿戴等方面有了重大突破。首先,第二代石墨烯人工喉采用了更贴合人体皮肤的纹身式薄膜作为衬底,无需胶带粘贴,可直接贴敷在人体喉咙,极大地提高了佩戴舒适感;其次,第二代石墨烯智能人工喉在收发声系统方面有了双重突破,实现了石墨烯的器件级应用至系统级应用的跨越。通过专用电对声音信号的放大和转换,第二代石墨烯智能人工喉首次将收声系统和发声系统连接起来,实现了声音输入到输出的闭环,并可以通过示波器实时观测喉部运动情况。接着,通过与单片机的结合,该器件可以将人体喉部的不同动作“翻译”成不同的声音,实现了动作发声系统。通过连接解码器,该器件还可以播意音乐。最后,第二代石墨烯智能人工喉系统可通过臂包穿戴在胳膊上,首次实现了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未来将进行体积更小及功能更多的集成,有望实现像“创可贴”一样贴附在人体喉部并帮助失语者“开口说话”。

  近年来,任天令团队致力于石墨烯器件的基础研究和实用化应用的探索,尤其关注研究突破传统器件的新型微纳电子器件,在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已取得了多项创新,如柔性石墨烯收发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器、极低功耗石墨烯钙钛矿阻变存储器等相关曾多次发表于《自然通讯》(Nature Communications)《先进材料》(Advanced Materials)《纳米快报》(Nano Letters)《美国化学学会纳米》(ACS Nano)和国际电子器件大会(IEDM)等。

  大学微纳电子系硕士生韦雨宏和博士生乔彦聪等是文章共同第一作者,大学微电子所任天令教授、杨轶副教授、田禾助理教授为论文通讯作者。

  航院冯雪教授课题组在国际材料科学领域知名学术期刊《先进材料》 (Advanced Materials)上在线发表了综述文章《柔性混合电子与数字医疗》(Flexible Hybrid Electronics for Digital Healthcare)。文章系统综述了柔性混合电子器件的发展脉络,全面定义了柔性混合电子的概念,并聚焦柔性生理电器件、柔性光电器件、柔性声学器件、柔性类皮肤功能器件和柔性生化检测器件在数字健康医疗领域的应用进展,为柔性混合电子器件的进一步发展和医疗应用提供了重要指导。

  ▲用于生理参数监测的柔性混合电子:柔性生理电器件、柔性光电器件、柔性声学器件、柔性类皮肤功能器件和柔性生化检测器件

  人体是巨大的信息融合体,包括生理电、光、声、生化、机械变形等生理信号,获取这些人体生理信息是实现数字化医疗的基础。传统刚性器件不能与人体完美集成,导致器件易受到运动伪影、噪音的干扰,不能精准人体微弱生理信号。柔性电子技术近年来随着先进材料、力学结构设计、新型制备方法的创新,得到了广泛研究和应用,它性改变了传统无机固体器件刚性的物理形态,极大促进了人-机-物三元融合,给全球数以亿计的慢病患者带来。

  该综述文章从柔性混合电子技术在材料和结构方法的发展历史出发,总结了柔性混合电子实现的两种主要途径,其一是通过材料创新,发展本征具有柔性或者可延展的电子功能材料,如有机半导体材料、纳米复合材料、液态金属以及有机导电聚合物等。而另一种方法是引入力学结构的设计,如经典的屈曲结构,可延展蛇形导线结构以及新型折纸/剪纸结构,通过结构的大转动小应变来适应外加荷载而材料本身不。随后文章系统阐述了柔性混合电子器件在生物医学方面的应用,包括柔性生理电器件、柔性光电器件、柔性声学器件、柔性类皮肤功能器件和柔性生化检测器件5个部分。

  大学冯雪课题组长期致力于研究超常规下力学和柔性电子技术,发展可延展/超柔性等超常规微器件与大规模集成技术,所发展的柔性电子技术用于健康医疗、智能及重大装备,近年来在《科学进展》(Science Advances)、《先进材料》(Advanced Materials)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)、《固体力学与固体物理学》(Journal of the Mechanics and Physics of Solids)等期刊发表一系列高水平论文。

  MERS-CoV是2012年在中东地区首先发现的一种新型冠状病毒,与严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)同属于β冠状病毒,能够引发严重的人类呼吸系统疾病。世界卫生组织最新统计表明MERS-CoV已造成全球27个国家2428例感染,率高达35%,是全球公共健康面临的严重。针对MERS-CoV的高活性中和抗体研究是疫苗研发和抗病毒药物开发的重要基础,目前绝大多数报道的MERS-CoV中和抗体都是靶向病毒刺突蛋白的受体结合域(RBD),并阻断其与细胞受体二肽基肽酶4(DPP4)的结合。例如泉课题组与大学琦课题组前期报道的两株中和抗体MERS-4与MERS-27都是通过靶向RBDMERS-CoV与受体DPP4的结合(发表在《科学医学》、《科学报告》和《细胞报告》)。考虑到RNA病毒基因组的快速变异特性,预计RBD区域的突变可能会使新产生的毒株逃脱已知的靶向RBD抗体的中和作用。

  此次研究首先鉴定了MERS-CoV单克隆中和抗体7D10,这株抗体结合刺突蛋白的NTD,能够高效中和MERS-CoV假病毒、活病毒对细胞的感染以及高滴度假病毒对小鼠模型的感染。对NTD与7D10复合物的晶体结构测定以及位点突变研究了一个位于刺突蛋白NTD上的全新表位。进一步研究表明,7D10的中和作用不只依赖于对DPP4结合的,而且在病毒细胞附着后起作用,膜融合前到膜融合后刺突蛋白的构象变化。这些特性使7D10对含有不同自然突变的MERS-CoV毒株具有广泛的中和能力,并与不同靶向RBD的中和抗体表现出协同作用或加和作用,为抗体药物与疫苗研发、防止MERS-CoV感染提供了新的理论依据和思。

  该研究由大学生命学院泉课题组和中国疾病控制中心病毒病研究所谭文杰课题组共同完成,大学医学院琦课题组也为本项研究作出了重要贡献。大学生命科学学院博士生周海霞和中国疾病控制中心病毒病研究所陈迎珠为共同第一作者,泉教授与谭文杰研究员为本论文的共同通讯作者。

  拟南芥基因组编码600余个受体激酶样(Receptor like kinase, RLK)基因,它们通过识别包括自身的激素信号、小肽信号及外源病原相关模式(PAMP)等不同的配体,介导植物细胞膜内外信号的交流。根据受体激酶胞外结构域的组成,这些RLK可分为约15个亚家族。在过去十年间,柴继杰教授研究组集中研究了其中3个亚家族的结构与功能(LRR-RLK、LysM-RLK、G-type Letin-RLK),总结提出了植物受体激酶的同源或异源二聚化活化模型,相关文章均发表在国际顶尖期刊,获得了国内外相关专家的高度认可。柴继杰教授团队也因“植物油菜素内酯等受体激酶的结构及功能研究”荣获2017年度国家自然科学二等。

  在本项研究中,柴继杰团队使用结构生物学方析了apo-FER, apo-ANX1, apo-ANX2, apo-LLG1和RALF23-LLG2-FER复合物五个晶体结构,结合体内功能遗传实验与体外多种生化手段,首次展示了植物肽类激素快速碱性化因子RALF被受体激酶-膜锚定蛋白这一异型受体复合物识别的机制。拟南芥体内约有250个GPI蛋白,大部分研究表明GPI蛋白作为相关膜蛋白的伴侣,起到帮助膜蛋白在细胞膜系统上运输的作用,目前尚未有植物GPI蛋白直接识别配体的报道。而本项究表明,GPI蛋白LLG1/2/3可作为受体在膜上直接识别配体RALF,并在配体RALF的下形成新的作用面以结合受体激酶FER,使FER-LLG这一异型受体复合物共同完成对配体RALF的识别。

  有别于过去研究发现的受体激酶基于同型二聚或多聚来识别配体的传统模式,本项研究的受体激酶与膜锚定蛋白形成异型复合物识别配体的模式,为植物受体激酶以及膜锚定蛋白的结构功能研究提供了全新的范例。本项研究也纠正了植物Malectin也会识别多糖的认识,证明了动植物Malectin结构域在分别进化后,已获得了截然不同的配体识别功能。

  大学生命学院2015级博士研究生肖裕、塞恩思伯里实验中心的Martin Stegmann博士和大学生命学院韩志富副研究员为本文的共同第一作者,大学生命学院柴继杰教授与塞恩思伯里实验中心和苏黎世大学的Cyril Zipfel教授为本文的共同通讯作者。另外,塞恩思伯里实验中心和苏黎世大学的Thomas A. DeFalco、孟德尔研究所(Gregor Mendel Institute)的Katarzyna Parys、Youssef Belkhadir与大学生命学院博士研究生徐莉也参与了本项研究。

  B淋巴细胞是抗体免疫应答的核心效应细胞,通过分泌防护性抗体来清除入侵机体的病原体,从而人体的健康,并且留给人体记忆性免疫力。B淋巴细胞通过其表面表达的B细胞受体(BCR)识别外来病原体抗原,随后启动免疫活化进程。一直以来,抗原与BCR结合后起始B淋巴细胞活化的精细机制并不明确。该论文结合活细胞内蛋白质定点标记技术和荧光共振能量转移技术,利用全内反射荧光显微镜及荧光寿命显微镜等成像手段,研究了BCR在结合单价膜联抗原后,其胞外结构域内发生的构象变化。该论文发现IgM型BCR(IgM-BCR)在结合抗原后,膜联免疫球蛋白(mIg)内部发生了特定的构象变化;相比之下,IgG型BCR(IgG-BCR)在结合抗原后,mIg与Igα/β之间的距离发生了显著变化。上述构象变化与B淋巴细胞的活化强度密切相关。另外,IgM-BCR与IgG-BCR在结合抗原后表现出的构象变化差异取决于两者的mIg胞内区差异。这一发现为抗原结合起始BCR介导的B淋巴细胞活化的机制提供了新的解释:胞外的抗原结合通过引起BCR内部的构象变化,从而将活化信号传递至B淋巴细胞的胞内以下游信号通。同时,这些研究也为B淋巴细胞免疫活化的调控机制研究提供了新的思,帮助人们进一步理解B淋巴细胞活化的起始机制,从而对探索B淋巴细胞活化失调相关疾病的致病机理、以及药物与疫苗研发等重要工作提供新的理论依据。

  刘万里研究员任大学生命学院、免疫学研究所、-北大生命科合中心研究员。刘万里实验室聚焦B淋巴细胞基础免疫学研究,整合交叉学科平台对B细胞免疫识别、免疫活化及相关免疫疾病的致病机理进行研究。自2011年回国工作以来,在B细胞异常活化与相关疾病、脂类代谢网络调控B细胞活化新机制、受体复合物调控B细胞活化新机制和机械力系统调控B细胞活化新机制等方面多有建树。该论文的发表是刘万里课题组对B淋巴细胞基础免疫学研究领域的新贡献。

  大学生命科学学院博士生沈志勋是本文的第一作者,大学生命科学学院博士生刘思辰及博士后李新新是本文的共同第一作者。刘万里研究员为本文的通讯作者,生命学院陈春来研究员也参与本课题研究为共同作者。

  7月9日,大学航天航空学院李晓雁长聘副教授课题组与美国布朗大学、理工大学合作,在《自然·纳米科技》(Nature Nanotechnology)发表了题为“微米热解碳的理论强度与类橡胶变形行为”(Theoretical strength and rubber-like behavior in micro-sized pyrolytic carbon)的研究论文,标志着课题组在热解碳材料制备和力学表征方面取得重要进展。

  对于结构材料而言,材料力学性能之间通常存在一定的矛盾和互斥,如高强度与低密度互斥、高强度与大变形互斥、高强度与高韧性互斥等。这些力学性能之间的矛盾和互斥成为严重制约结构材料发展的主要瓶颈。近几十年来,如何实现结构材料同时具有超轻、高强度、大变形等优异力学性能是现代材料设计和制造的一个巨大挑战,也是固体力学和材料科学领域研究的热点问题。

  ▲图1. 微纳米热解碳的原位电镜力学测试:(a)压缩强度随直径的变化;(b)原位压缩多周测试;(c)微纳米热解碳典型的应力-应变曲线;(d)原位压缩时的电镜照片。

  在本项工作中,研究者将双光子光刻与高温热解技术相结合,通过控制试样尺寸、热解温度等重要参数,成功地制备了直径为几百纳米到十几微米的热解碳圆柱。通过高分辨率透射电镜、拉曼光谱以及电子能量损失光谱等技术表征,发现这些热解碳是由1纳米左右的弯曲的石墨片随机排布组合而成。研究者在扫描电镜中对这些热解碳进行了原位压缩和拉伸测试,结果表明:这些热解碳的平均拉伸强度达到1.6 GPa;而压缩强度表现出明显的尺度效应,随着直径的减小,热解碳的强度呈现出幂指数级的增长(图1a)。当直径小于2.3微米时,热解碳的强度高达13.7 GPa,达到材料的理论极限强度,符合早先的理论预测。其弹性极限达到20-30%,这意味着当材料压缩20-30%之后进行卸载,材料能够几乎完全恢复(图1b)。更为奇妙的是,热解碳在宏观尺度上表现为脆性,而在微纳米尺度上,这些微纳米热解碳柱能够承受50%的压缩应变而不出现明显的,并展示出类橡胶的力学行为(图1c和1d)。

  此外,通过实验测量,这些微纳米热解碳的密度仅有1.4 g/cm3。因此,这些热解碳的最大比压缩强度达到9.79GPa cm3/g,超过了多晶金刚石(被认为是具有最高比强度的块体材料)的比压缩强度。由于这些微纳米热解碳同时具有低的密度和超高的强度,因此克服了材料低密度和高强度的互斥,在强度-密度的Ashby图中落在了材料性能的极限区域(图2a)。这些微纳米热解碳同时具有超高的强度/比强度和较大的断裂应变,在一定程度上克服了材料高强度与高韧性的矛盾,从而占据了在比强度-断裂应变的Ashby设计图中右上角的空白区域(图2b)。

  ▲图2. 微纳米热解碳的力学性能:(a)强度-密度的Ashby图;(b)比强度-断裂应变的Ashby图。

  研究者同时进行了大规模的原子尺度模拟,了材料变形和的微观机理,以及材料的力学性能与微结构之间的关联。根据实验观测,研究者首先构建了与实验样品微结构一致的原子模型,然后对其进行了单向压缩和拉伸的数值模拟。模拟结果表明:微纳米热解碳的压缩变形主要是由石墨烯的滑移和剪切以及整体结构的密实化主导(图3a),而拉伸变形主要是由纳米孔洞的形核和长大或初始微裂纹缺陷的扩展主导(图2b)。原子尺度模拟了微纳米热解碳优异的力学性能主要归因于微纳米热解碳的微结构。

  近年来,李晓雁副教授课题组主要从事新型微纳米结构材料的设计、制备和力学行为研究,在相关领域取得了多项重要的。相关工作发表在《自然材料》(Nature Materials)《自然通讯》(Nature Communications)《科学进展》(Science Advances)《先进材料》(Advanced Materials)以及《美国化学学会-纳米材料》(ACS Nano)等期刊上。

  论文共同第一作者为大学航天航空学院博士、2015级博士生钟磊和理工学院博士生Arturo Mateos,大学为论文第一单位。论文共同通讯作者为大学李晓雁长聘副教授、布朗大学高华健教授和理工学院Julia R. Greer教授。

  寻找马约拉纳态是当前凝聚态物理研究的热点问题。马约拉纳态是实现拓扑量子计算的基础。近日,大学物理系李渭副教授、薛其坤教授的研究团队与中科院上海硅酸盐研究所的黄富强研究员及南京大学的军教授合作,在一种新型的过渡金属硫族化合物2M-WS2中发现了马约拉纳态存在的,这是科学家首次在过渡金属硫族化合物中观测到马约拉纳态存在的。该研究以“2M相WS2中各向异性的马约拉纳态的”(Evidence of anisotropic Majorana bound states in 2M-WS2) 为题在线日的《自然·物理》(Nature Physics)上。

  理论预言,当材料同时具有s波超导的体态和非平庸的拓扑表面态时,在外下,该材料的磁通中心会存在马约拉纳态。近年来,这样的材料体系被逐渐发现,但现有的材料或存在以下问题:超导转变温度较低,需要极端的实验观测条件;需要在材料中进行元素,以实现拓扑或超导性质。但元素会带来额外的缺陷,不利于实际应用,寻找更的材料体系十分迫切。

  利用低温强扫描隧道显微镜技术,该研究团队在一种新型的过渡金属硫族化合物-2M相的WS2中观测到了马约拉纳态(如图所示)。通过观测其磁通内态密度随空间的演化,他们发现该马约拉纳态具有高度的空间各向异性,这可能是各向异性的超导序参量和拓扑表面态共同导致的。重要的是,2M-WS2是一种不需要额外元素插层或的本征材料,且极易实现机械剥离,因此,该材料是研究未来拓扑量子计算理想的材料体系之一。该材料由上海硅酸盐研究所的黄富强研究团队合成,南京大学的军教授基于第一性原理计算预言了该体系存在拓扑表面态,相关工作发表在《先进材料》(Advance Materials)上。

  大学物理系2015级博士生袁永浩与中科院上海硅酸盐研究所的博士生潘杰为文章的共同第一作者,大学李渭副教授、薛其坤教授及中科院上海硅酸盐研究所黄富强研究员为共同通讯作者。黄富强研究团队提供了实验的样品。

  近日,大学微纳电子系王晓红教授课题组与美国佐治亚理工学院王中林教授课题组在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials,影响因子:24.88)上线发表了题为“通过电振荡以实现纳米摩擦发电机的性能提升”(“Boost the Performance of Triboelectric Nanogenerators through Circuit Oscillation”)的合作论文,首次提出一种通过电荷极性翻转提升电极等效电荷面密度的电源管理方法,进而突破了长期以来摩擦纳米发电机单周期内最大输出的。

  随着物联网与可穿戴设备的普及,如何为这些分布式器件进行持续供能成为当今研究的热点。通过能量收集器来获取自然中的能量,进而实现设备的自供电,是近些年来兴起的一类绿色、低成本以及可持续的解决方案。摩擦纳米发电机自2012年被提出以来受到广泛关注,主要因为其在自然中能量最为充沛的低频段具有最高的能量收集效率。然而,受于摩擦极化电荷面密度、摩擦层本征电容以及匹配的影响,摩擦纳米发电机的输出仍然不足以满足当前器件的供电需求,这也是其进一步普及与商业化的主要障碍。

  2015年,研究人员类比于热力学中的卡诺循环,提出了摩擦纳米发电机的理论单周期输出极限及其实现方式(Cycles for Maximum Energy Output, CMEO)。此次,微纳电子系王晓红教授课题组与美国佐治亚理工学院王中林教授课题组合作,提出了一种新型电荷分布方式以及外部电实现方法,通过理论和仿真验证了其对于原CMEO极限的突破,并通过实验进行了验证。研究者指出,此种电源管理方法不仅在任意负载下都能突破原有输出极限,且尤为适用于小型电子设备的低输入情形。

  王晓红与王中林为该论文共同通讯作者,微纳电子系博士生徐思行与佐治亚理工学院博士后研究员丁文伯、郭恒宇为共同第一作者。长期以来,王晓红研究团队致力于微型能源系统的研究,包括能量转换、能量储存与电源管理等各方面,近年来在这几个方面均取得了突破,相关工作相继发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)、《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)、《纳米能源》(Nano Energy)、《微系统与纳米工程》(Microsystems & Nanoengineering)等高水平期刊。


 

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