南方科技大學（簡稱南科大）是深圳在中國高等教育改革發展的時代背景下，創建的一所高起點、高定位的公辦創新型大學，它肩負著為我國高等教育改革發揮先導和示范作用的使命，并致力于服務創新型國家建設和深圳創新型城市建設。南科大被確定為國家高等教育綜合改革試驗校。2012年4月，教育部同意建校，并賦予學校探索具有中國特色的現代大學制度、探索創新人才培養模式的重大使命。南科大根據世界一流理工科大學的學科設置和辦學模式，以理、工、醫為主，兼具商科和特色人文社科，在本科、碩士、博士層次辦學，在一系列新的學科方向上開展研究，使學校成為引領社會發展的思想庫和新知識、新技術的源泉。南科大的目標是建設成為聚集一流師資、培養拔尖創新人才、創造國際一流學術成果并推動科技應用的國際化高水平研究型大學。就目前來看，該目標已經取得實質性進展。2020年6月3日，泰晤士高等教育（Times Higher Education，簡稱“THE”）發布了“2020泰晤士高等教育亞洲大學排名”（THE Asia University Rankings 2020），南科大位列中國內地高校第8位。2020年6月10日，QS世界大學排名網發布了“2021 QS世界大學排名”（Quacquarelli Symonds，QS World University Rankings 2021），南方科技大學位列中國內地高校第14位，世界第323位。據不完全統計，在過去的一年內，南科大在材料、化學、物理、生物領域至少收獲8篇《Nature》/《Science》通訊文章。其中，化學反應原理研究2篇（楊學明團隊），電催化1篇，大面積單晶材料制備1篇，熱電材料1篇，霍爾效應1篇，單顆粒光譜學1篇，RNA生物功能研究1篇。（若有不全，歡迎留言補充）以下簡要總結了這8篇文章的主要內容，供讀者參考學習。
1. Science：離子型明膠熱電材料用于可穿戴器件的供電
從環境中收集能量并轉化為電能為物聯網（Internet-of -things, loT）傳感器提供電能的發展中有重要意義，通過這種供電作用能夠使其免于電纜/電池供電，支持了可穿戴設備的發展。熱電材料器件中，通過離子作為載流子，通常需要在不同溫度中在兩個電極之間進行熱擴散或還原反應。南方科技大學劉瑋書、MIT麻省理工學院陳剛等發展了一種基于明膠（gelatin）的器件，通過堿金屬鹽和鐵基還原對配合，產生了一個非常大的熱電轉化效果。并且該裝置通過身體上發熱就能夠得到足夠的能量。制成的器件中最高的熱電能達到17.0 mV/K，明膠中的離子傳輸通過KCl，NaCl，KNO3進行熱擴散作用，并通過[Fe(CN)64-/Fe(CN)63-]提升熱電效應。作者顯示，當通過身體熱能作為熱源（ΔT~10 K）的可穿戴器件中就可以達到2 V的熱電效應和最高5mW的功率。這種離子型明膠展現出離子能量載體在熱電轉換中的重要應用前景。要點1. 測試了KCl、KNO3、NaCl在明膠中的熱擴散效應變化，結果顯示加入0.8 M KCl后，明膠的熱擴散效應提高為6.7 mV/K；加入0.3 M NaCl的明膠熱擴散效應同樣提高為6.7 mV/K；加入0.5~0.8 M KNO3后，明膠的熱擴散效應提高為3~4 mV/K。隨后在加入KCl的明膠中加入FeCN4-/3-，熱電性能進一步發生變化，并最高達到12.7 mV/K（比例為0.8 M KCl-0.42/0.25 M FeCN4-/3-）。隨后作者對KCl和FeCN4-/3-的協同作用進行研究，作者對不同組分的熱電貢獻進行總結：明膠貢獻了10.2 %，FeCN4-/3-貢獻了17.9 %，K3Fe(CN)6和K4Fe(CN)6貢獻了9.7 %，KCl貢獻了62.2 %。要點2. 可穿戴器件供能測試。該明膠體系能夠提供2.2 V電壓，對于濕度器件（1.6~3.6 V）、壓力器件（1.5~3.6 V）、室內氣體傳感器（1.8~3.6 V）等器件能夠有效的支持其工作。Cheng-Gong Han, Xin Qian, Qikai Li, Biao Deng, Yongbin Zhu, Zhijia Han, Wenqing Zhang, Weichao Wang, Shien-Ping Feng, Gang Chen*, Weishu Liu*. Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature, Science 2020DOI：10.1126/science.aaz5045https://science.sciencemag.org/content/368/6495/1091
2. Nature：A4紙面積的高指數晶面單晶Cu膜生長
北京大學王恩哥、劉開輝，中科院松山湖材料實驗室，華南師范大學，韓國基礎科學研究所丁峰，南方科技大學俞大鵬等在Nature上報道了合成大面積Cu單晶的方法。合成大面積不同晶面的單晶金屬膜長期以來都有重要意義，特別是在晶體外延生長，催化，電子學/熱力學上。對于一種給定的金屬材料，通常具有三種低指數晶面（{100}，{110}，{111}）。與之相比，高指數晶面在理論上是無窮盡的，并且會展現豐富的表面結構和性質。但是，控制合成高指數晶面材料有非常大的挑戰性，因為高指數晶面在熱力學和動力學上都是不穩定的。實現了構建30×20 cm2大小的Cu單晶材料，并實現了多達30余種不同指數Cu晶面。通過事先對Cu基底進行預氧化處理，實現了在還原氣氛中煅燒，在其表面生長高指數晶面，并且通過這種方法有可能實現長達數米的高指數單晶表面。對Cu基底表面進行預氧化是關鍵性過程，氧化后的表面表面能不再是決定晶體生長的關鍵因素，反應的生長轉而為隨機過程，并且該生長過程和已生長的晶面相關（較小的晶界氧化，較大的晶界取向決定了晶體生長方向）。通過在高指數晶面上進行生長，誘導Cu晶膜的生長沿著基底或垂直于晶體的方向生長。這種生長技術同樣在其他種類的金屬生長（高指數Ni膜）中得以應用。得到的高指數晶面薄膜可能在催化、低阻抗導電（low-impedance electrical conduction）、散熱（heat dissipation）領域中應用。該熱處理過程具體通過：在150~650 ℃中空氣氛圍中將Cu膜氧化處理幾個小時（在10~60 min內升溫，并保持1~4 h），隨后在1020 ℃中還原氣氛（Ar氣+50 sccm H2）中煅燒Cu膜1 h。并隨后在高指數Cu晶面上進行外延生長hBN、石墨烯的實驗。通過分子動力學模擬計算方法對晶體生長進行了模擬理論分析。Muhong Wu, Zhibin Zhang, Xiaozhi Xu, Zhihong Zhang, Yunrui Duan, Jichen Dong, Ruixi Qiao, Sifan You, Li Wang, Jiajie Qi, Dingxin Zou, Nianze Shang, Yubo Yang, Hui Li, Lan Zhu, Junliang Sun, Haijun Yu, Peng Gao, Xuedong Bai, Ying Jiang, Zhu-Jun Wang, Feng Ding*, Dapeng Yu*, Enge Wang* & Kaihui Liu*. Seeded growth of large single-crystal copper foils with high-index facets，Nature 2020, 581, 406-410DOI：10.1038/s41586-020-2298-5https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5
3. Science：化學反應量子幾何相位效應研究重要進展
中國科學院院士、南方科技大學理學院院長、化學系講席教授楊學明團隊和中科院大連化物所研究員肖春雷、研究員孫志剛、院士張東輝團隊在最簡單化學反應氫原子加氫分子的同位素（H+HD→H2+D）反應中，發現了化學反應中新的量子干涉效應，這一發現有助于更深入地理解化學反應過程，豐富對化學反應的認識。要點1. 研究團隊在2019年先期理論研究工作中發現，在特定散射角度上，H+HD反應生成的產物H2的多少會隨碰撞能而呈現特別有規律的振蕩。針對這個有規律的振蕩現象，團隊開展了理論結合實驗的詳細研究。團隊改進了交叉分子束裝置，實現了在較高碰撞能處對后向散射（散射角度為180度）信號的精確測量。理論上，進一步發展了量子反應散射理論，創造性地發展了利用拓撲學原理分析化學反應發生途徑的方法。要點2. 拓撲學分析表明，這些后向散射的振蕩實際上是由兩條反應途徑的干涉造成的。這兩條反應途徑對于后向散射均有顯著貢獻，但它們各自的幅度隨著碰撞能變化并無顯著變化，呈現緩慢的變化趨勢。它們的相位隨著碰撞能變化，一個呈線性增加，另外一個呈線性減小，因此，相互干涉的結果就呈現了強烈的有規律的振蕩現象。 要點3. 進一步采用經典軌線理論分析表明，其中一條反應途徑對應于通常所熟知的直接反應過程，如下圖G至I所示。而另外一條反應途徑對應于一條類似于roaming機理的反應過程，如圖A至F所示。由于這兩條反應途徑，剛好以相反的方向圍繞于H+HD反應勢能面上的錐形交叉，所以它們的干涉圖樣必須采用非絕熱耦合的勢能面來模擬計算才可以，這也體現了這個體系反應過程中的幾何相位效應。尤其有趣的是，在所研究的碰撞能范圍，通過漫游機理而發生的反應只占全部反應性的0.3%左右。而如此微弱的小部分反應性，能夠清晰地被理論和實驗所揭示出來。 該項研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而發生化學反應的過程的量子性，另一方面，也揭示了化學反應的途徑的復雜性。盡管如此簡單的體系也仍然存在科學家們認識不到的事實。 Yurun Xie, Hailin Zhao, Yufeng Wang, Yin Huang, Tao Wang, Xin Xu, Chunlei Xiao, Zhigang Sun, Dong H. Zhang, Xueming Yang.Quantum interference in H + HD → H2 + D between direct abstraction and roaming insertion pathways. Science. 2020DOI: 10.1126/science.abb1564https://science.sciencemag.org/content/368/6492/767
4. Science：趨近絕對零度的量子共振
原子與分子的碰撞傳能以及化學反應過程受量子力學的規則控制。理解量子效應在原子與分子碰撞中的作用是理解能量傳遞以及化學反應過程的根本。而量子效應在低溫下能夠更好保存，因此低溫條件對碰撞結果的影響會更加顯著。量子散射共振給實驗提供了一種觀測碰撞過程中量子效應的方法，但由于其壽命很短，實驗觀測的挑戰巨大。南方科技大學理學院院長、化學系講席教授、中國科學院院士楊學明和化學系助理教授楊天罡應邀在Science雜志發表評述文章，討論趨近絕對零度的原子與分子碰撞過程中量子散射共振研究的進展。要點1. 評述文章詳細介紹了同期《科學》雜志發表的關于極低溫量子散射共振的研究工作。通過利用斯塔克減速技術產生的NO(j=1/2f) 束源和冷He束源結合高分辨的速度成像技術，荷蘭科學家實現了碰撞能0.3 ~ 12.3 K下NO+He體系的高分辨非彈性散射動力學研究，并觀測到了多個共振現象。更有意思的是，這個實驗結果只能用CCSDT(Q)下發展的一個最新的精確勢能面上的計算來描述，也表明了在此非彈性散射系統中，實驗中觀測到的量子散射共振圖像可以精確測試量子計算結果，幫助理解量子效應在原子分子碰撞能量傳遞中的作用。要點2. 評述文章還介紹了一個趨近絕對零度量子散射共振在化學反應中發揮重要作用的例子。F+H2→HF+H 反應是星際化學中產生HF分子的重要過程。但是F+H2反應具有1.8 kcal/mol高度的勢壘（629 cm-1），經典模型下在接近絕對零度時這個反應幾率是完全可以忽略的。2019年，大連化物所研究團隊通過利用H原子里德堡態標示時間飛渡譜技術，觀測到了反應溫度低至14 K（9.8 cm-1）時此反應仍然發生的證據，同時觀測到了約 40 cm-1碰撞能的一個反應共振峰。進一步理論分析表明，F+H2在低溫時的反應性，是通過反應共振態所增強的隧穿效應而產生的，而不是通常簡單的隧穿效應，這也是在接近絕對零度下此反應仍然可以發生的原因。如果將共振態所導致的共振增強效應移除，F+H2（v=0，j=0）在10K溫度以下的反應速率常數，會降低三個數量級以上。文章最后指出，趨近絕對零度量子共振的研究進展得益于新的分子束方法以及新的探測技術的發展，精確的理論和實驗之間的互動推動這一領域的發展。量子散射共振研究有助于更加深刻理解氣相碰撞中的傳能以及反應過程，對于理解復雜體系如星際化學，大氣以及燃燒等過程也具有重要意義。Tiangang Yang, Xueming Yang. Quantum resonances near absolute zero. Science. 2020DOI: 10.1126/science.abb8020https://science.sciencemag.org/content/368/6491/582
5. 南科大郭紅衛Nature: 22nt siRNA重要生物學功能
RNA是生命遺傳信息傳遞的核心載質，遺傳信息從DNA到RNA到蛋白質構成了分子生物學的中心法則。RNA的種類和形式極為多樣，新型肺炎冠狀病毒（COVID-19）就是一種RNA病毒。RNA干擾是生物免疫病毒入侵的重要機制，RNA干擾通過長度為20-24個核苷酸單位（nucleotide, nt）的小RNA來調控靶基因RNA。小RNA，包括miRNA (microRNA)和siRNA (small interfering RNA)，對于動植物的生長發育和抗性至關重要。植物RNA在Dicer-like（DCL）蛋白的作用下，切割形成21-24nt長度的小RNA, 小RNA的長度決定了其發揮生物功能所采用的機制。模式植物擬南芥基因組一共編碼四個DCL蛋白（DCL1-4），其中DCL1切割后產生 21-22nt miRNA，介導靶標mRNA切割或翻譯抑制；DCL3切割后產生24nt siRNA，介導異染色質區域DNA甲基化，維持基因組穩定；DCL4 切割后產生21nt siRNA，介導靶mRNA或非編碼RNA（ncRNA）的切割。然而，關于DCL2切割后產生的22nt siRNA知之甚少，尤其植物內源產生的22nt siRNA的種類、功能及作用機制尚不清楚。南方科技大學生物系教授郭紅衛課題組通過在特定突變體中鑒定到大量植物內源22nt siRNA，揭示了擬南芥22nt小RNA介導翻譯抑制與脅迫適應性的重要生物學功能，是植物小RNA領域的一項突破性研究成果。要點1. 研究人員發現當植物在缺乏氮素營養時，表現出生長發育抑制表型，并伴隨產生大量內源22nt siRNA，包括來自于NIA1和NIA2基因的22nt siRNA，且NIA1和NIA2蛋白含量和轉錄水平也顯著降低。進一步翻譯組學研究發現，缺氮條件下植物總體翻譯水平亦降低。基于以上證據，研究者提出一種植物響應缺氮脅迫的機制，即在極端缺氮條件下，植物通過降低NIA1/2轉錄和增加NIA1/2 22nt siRNA，抑制NIA1/2蛋白合成。NIA1/2負責將硝酸還原為亞硝酸，進一步被亞硝酸還原酶還原為氨根離子，作為氨基酸合成的重要原料，因此NIA1/2蛋白的缺失會減少氨的供應和氨基酸的積累，降低蛋白質翻譯效率。植物通過這種降低蛋白翻譯效率，減少極端營養缺失條件下能量消耗的方式，暫時抑制生長狀態，同時激活自身脅迫反應，保證自身生存，也可謂是一種智慧。
要點2. 研究還發現，NIA1/2的翻譯調控機制可能參與植物對其它環境脅迫的響應，例如植物脅迫激素脫落酸（Abscisic acid, ABA）和高濃度鹽處理均調控NIA1/2 22nt siRNA的產生及其蛋白水平，暗示NIA1/2可能作為植物體內關鍵的調控節點，協調和平衡植物正常生長發育和脅迫響應?？偠灾撗芯坎粌H揭示了22nt siRNA介導的翻譯抑制，還發現了一種植物響應外界環境脅迫的新機制。Huihui Wu, Bosheng Li, Hiro-oki Iwakawa, Yajie Pan, Xianli Tang, Qianyan Ling-hu, Yuelin Liu, Shixin Sheng, Li Feng, Hong Zhang, Xinyan Zhang, Zhonghua Tang, Xinli Xia, Jixian Zhai & Hongwei Guo. Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation.Nature.2020DOI: 10.1038/s41586-020-2231-yhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2231-y
6. Nature: 功能化納米材料單顆粒光譜學
“欲善其事，先利其器”，納米材料新功能研發需要更高靈敏度和分辨率的光學顯微儀器。經過近些年基礎研究和諸多成像分析技術的突破，單顆粒光譜學展示了廣闊的科學應用前景，單顆粒光譜學正在成為現代基礎科研的“利器”。南方科技大學-悉尼科技大學生物醫學材料與儀器聯合研究中心主任、南科大生物醫學工程系講席教授金大勇合作研究團隊概述了歷年來不同類發光納米材料在單顆粒層面的光譜學研究進展，回顧了從單顆粒光譜學技術中獲得的新啟發，展望了推進下一代單顆粒光譜學發展的機遇與挑戰。文章指出，單顆粒光譜學技術將繼續推進納米級現有材料和未來材料光物理特性的表征，發光納米粒子新功能的加入預計將在一些關鍵的科學技術領域帶來革命性的變化，從八個潛在的方向推動單顆粒光譜學的發展。（一）超分辨單顆粒光譜學。光學衍射極限將繼續限制先進單顆粒光譜儀的橫向和縱向分辨率，解決方案將是結合現今發展的多種超分辨顯微鏡技術。（二）多模聯用單顆粒光譜學。光電聯用以及操控技術聯用，結合多種熒光模態的測量方式，可以準確辨別納米材料的每一結構信息是如何影響其總體光學特性的。（三）運用納米鑷子技術。非接觸式捕獲和操控納米尺度的單個粒子，結合光譜學技術，將為基于納米粒子的雜化組裝器件開發提供機會。同時也可用于對距離和取向依賴現象的原位研究，例如不同類型的單納米粒子之間的能量轉移和力學動力學。（四）單顆粒表面特性表征。表面物質和電荷的不均勻性會導致納米顆粒光學性質的不均勻性，從特定的分子靶向到納米器件的自組裝，幾乎影響納米顆粒的所有預期應用。引入遠場拉曼光譜等方法將為表征納米粒子的表面形態提供新的視角。（五）單顆粒的吸收測量。對于低量子效率的單納米粒子或猝滅納米粒子的熒光表征是無法得到單顆粒靈敏度的。一些技術方法也許能夠用于單顆粒的吸收成像和光譜學測量。（六）單顆粒的量子效率測量。測量單顆粒絕對量子效率的挑戰在于檢測單個粒子吸收的光子數。替代方式是采用基于輻射和非輻射躍遷速率之比的測量方法，輻射速率的改變方法。（七）高通量光譜學和數據分析。要將單顆粒研究應用到常規樣品分析中，需要高通量單顆粒光譜儀和數據分析自動化。使用商用高光譜成像系統或棱鏡來分散光譜信息的寬場成像方案可以極大地提高檢測通量和速度。機器學習可以超越傳統數據分析的極限，識別和記錄單個納米粒子的光學特征，避免重復實驗。（八）單顆粒光譜學標準化。納米材料的許多群體性熒光測量方法要成為定量技術仍有待優化，因為不同研究組獲得的結果可能會受到不同儀器設置和測量環境的影響。為了使得定量比較成為現實，單顆粒光譜學技術可以提供不同激發功率密度下發射光子的絕對數量。這種標準化的平臺對非線性光學轉換尤其重要。Jiajia Zhou, Alexey I. Chizhik, Steven Chu & Dayong Jin. Single-particle spectroscopy for functional nanomaterials. Nature. 2020DOI: 10.1038/s41586-020-2048-8https://www.nature.com/articles/s41586-020-2048-8
7. Nature：分子催化劑通過多米諾途徑實現CO2至甲醇的電還原轉化
利用可再生能源產生的電能驅動CO2還原是實現化學品和燃料可持續生產的一種有效途徑，但該過程的效率受到其緩慢的動力學的限制。在眾多CO2還原電催化劑中，分子類催化劑具有活性中心明確、結構調控容易的特點而被廣泛研究。但是分子催化劑在催化性能上往往不如常用的貴金屬催化劑，而且分子類催化劑大多只能實現CO2的兩電子還原（如CO2還原成CO）。有鑒于此，耶魯大學王海梁，南方科技大學梁永曄等團隊合作，將酞菁鈷分子（CoPc）負載在碳納米管(CNT)上，制備CoPc高度分散在CNT上的CoPc/CNT復合催化劑；實驗發現，以前用于將CO2還原制備CO的CoPc催化劑可以將CO2還原為甲醇，實現六電子還原反應。要點1. 在中性電解液中，-0.94 V（相較于標準氫電極）的電位下，可以實現>40%的甲醇轉化法拉第效率以及>10 mA/cm2的甲醇分電流密度，相比此前的研究中普遍只能達到低于1%的轉化效率以及低于1 mA/cm2的電流密度達到了質的提升。要點2. 作者發現，反應過程中甲醇的出現伴隨著CO生成產率的降低，且當反應體系中通入CO替代CO2時，CoPc/CNT的確可以高效的催化產生甲醇，在-0.83 V的電位下可以實現28%的甲醇轉化效率，這表明電催化CO2至甲醇的反應遵循一個多米諾過程：CO2先進行兩電子還原至CO，CO這一中間態再進行四電子還原生成甲醇。要點3. 此外，CoPc分子在大過電位下被破環性的還原而失去反應活性，CoPc/CNT在CO2到甲醇的催化反應中存在不穩定的問題，反應5h以后甲醇的轉化效率會降到1%以下?；诜肿哟呋瘎┙Y構可調控的特點，作者通過在酞菁環β位引入4個給電子的氨基（NH2）基團解決了這個穩定性問題。得到的CoPc-NH2/CNT催化劑具有比CoPc/CNT更低的還原電位，在催化過程中結構穩定。經過12h的反應，甲醇的轉化效率仍維持在28%，與初始的32%相當。Yueshen Wu, Yongye Liang*, Hailiang Wang*, Domino electroreduction of CO2 to methanol on a molecular catalyst. Nature, 2019DOI: 10.1038/s41586-019-1760-8https://www.nature.com/articles/s41586-019-1760-8
8. 南方科大/中科大Nature：實驗證實三維量子霍爾效應！
20世紀80年代，科學家在二維電子系統中發現量子霍爾效應（QHE），使得拓撲在凝聚態物理中發揮核心作用。幾十年來，不斷有理論預測將QHE拓展到三維電子體系的可能性，但始終未能通過實驗證明。有鑒于此，南方科技大學Liyuan Zhang、中國科學技術大學Zhenhua Qiao以及新加坡科技設計大學Shengyuan A. Yang等團隊及其合作者在實驗上從體相ZrTe5晶體中發現了三維量子霍爾效應。要點1. 研究人員在磁場下對塊狀ZrTe5晶體進行低溫電傳輸測量，并在相對較低的磁場下實現計算量子極限，僅占用最低的Landau能級。在此區域，研究人員觀察到無耗散縱向電阻率，接近于零，與霍爾電阻率平臺中沿場方向的費米波長的一半成比例。這種響應具有3D QHE特征，強烈表明了在極端量子極限下，費米表面不穩定性受增強的相互作用效應驅動。要點2. 通過進一步增加磁場，縱向和霍爾電阻率都顯著增加并且顯示出金屬-絕緣體轉變行為，這表明了磁場驅動的另一個量子相變。總之，這項研究結果為3D QHE提供了可靠的實驗證據，為進一步探索3D系統中的奇異量子相和躍遷提供了有用的平臺。FangdongTang, Yafei Ren, Shengyuan A. Yang, Zhenhua Qiao, Liyuan Zhang et al. Three-dimensionalquantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe5. Nature2019.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9
