世界一流科技期刊文章精選

通過自下而上的設計策略實現幾何可重構三維細觀結構與電磁器件

清華大學航院張一慧教授團隊與合作者在多穩態三維微結構與可重構電磁器件方面取得進展。相關論文發表于Science Advances。可重構功能器件由于可以在不同的工作狀態間迅速切換而愈發受到研究者們的關注，目前已經在信號傳輸、能量收集、生物信息采集等領域有重要的應用。論文提出了一套通過矢量調控屈曲組裝實現幾何可重構三維結構的策略，該策略基于屈曲組裝中可重構力學機理的深入研究，實現了從簡單單胞到復雜結構自下而上的系統化設計，也實現了具備離散-連續雙重調控能力的可重構電子器件，同時適用于廣泛的高性能材料和較寬的特征尺度范圍，因此在多種復雜應用場景下具有獨特的優勢。

矢量調控實現結構幾何可重構的概念示意圖（圖片來源于清華大學官網）

A、B圖為基于可重構幾何設計的單個可重構線圈天線平面構型和兩種不同的三維構型；C圖為單個天線不同幾何構型下線圈內感應電壓的比較；D、E圖為將單個天線布置為陣列的俯視圖和實驗系統；F圖為陣列的構型-釋放角關系相圖；G、H和I圖為線圈天線陣列在3種典型構型“T”、“H”和“U”下的實驗結果。比例尺為2mm。（圖片來源于清華大學官網）

空化流動數值模擬方法研究

中國科學院力學研究所研究團隊在空化流動數值模擬方法研究中取得進展。相關論文發表于International Journal of Multiphase Flow。空化是水下高速航行體和高速推進技術面臨的主要問題。研究人員建立了兩個模型：首先，通過引入氣泡數密度來表征空化區內部結構，并建立氣泡數密度的輸運方程來模擬云狀空化內部演化。其次，通過量綱分析和空泡群的直接模擬建立了基于空泡群的空化模型。這樣就形成了一個宏觀-細觀耦合的計算方法。并利用該方法對云狀空化的形成機制與潰滅壓力特征進行了分析。利用該模型，研究人員對云狀空化流動的機理有了更進一步的認識，同時研究了細觀結構對潰滅的影響機制。

助力農業生產，將大棚布研制成發電機

浙江大學生物系統工程與食品科學學院IBE團隊平建峰研究員課題組提出了一種簡便有效的方法，從農業環境中挖掘自然能源并將其高效轉化為電能。將摩擦納米發電機技術應用于農用紡織品中，并用于降雨時雨水能的收集，通過能量轉化獲取電能。相關論文發表于Nano Energy。該聚合物能夠防水并與環境中的雨水發生電子轉移。而碳化鈦感應電極，不僅具有高導電性能，還因其高電負性可以助力表面聚合物搶奪電子。因此在實現農用紡織品原有的農用保護材料保溫、遮陽、水土保持、排水灌溉、種子培育基材的功能基礎上，還能從農業環境中源源不斷地獲取能源，為智慧農業提供驅動力。

高性能微流體柔性應變傳感器

中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微創中心研究員王磊、副研究員李暉團隊，在利用波浪形微通道設計改善基于液態金屬的柔性應變傳感器遲滯性、響應時間和靈敏度方面的研究取得新進展。相關論文發表于ACS Applied Materials & Interfaces。該柔性應變傳感器可承受高達320%的應變且能夠正常工作，波浪形結構能夠有效抑制微通道的粘彈性，遲滯性從6.79%提高到1.02%。此外，通過延長波浪形微通道長度，同時傳感器的靈敏度（GF=4.91）和分辨率得到提高，能夠檢測到低至0.09%的極微小應變變化，響應時間低至116ms。實驗驗證該柔性應變傳感器能夠被用于人體和機器人的運動監測。

多倍頻高性能摩擦納米發電機

浙江大學海洋學院海洋電子與智能系統研究所納米能源研究團隊徐志偉等，利用生活中常見的氣球制作成了可用于收集波浪能的多倍頻高性能摩擦納米發電機。相關論文發表于Advanced Energy Materials。研究團隊制備了一種基于水氣球（WB-TENG）的多倍頻高性能摩擦納米發電機用于波浪能收集。所提出的WB-TENG由一個方形盒和一個水氣球兩部分構成。方形盒內壁上覆蓋一層導電銅箔，再在導電銅箔表面粘貼一層尼龍薄膜。將導線放到氣球中，然后向氣球中注入氯化鈉水溶液，最后通過打結的方式進行密封。WB-TENG除了作為發電器件，還可以作為傳感器件反應波浪的振動情況。

（a）集成了能源管理電路的WB-TENG示意圖；（b）未來用于海洋波浪能收集的大型WB-TENG陣列的想象圖；（c）WB-TENG對不同電容的充電效果；（d,e）基于能源管理電路的不同工作狀態；（f）在波浪作用下，30個L E D燈珠可以被WB-TENG點亮；（g）142個被排成“ZJU OCEAN 2020”的LED燈珠被點亮的照片；（h）不同浪高情況下的電壓輸出。（圖片來源于浙江大學求是新聞網）

（a）WB-TENG浮在水面的效果展示圖；（b,c）W BT E N G的結構展開圖和內部材料分布情況；（d）W BT E N G的實物圖；（e-g）水氣球的制作過程圖；（h,i）氣球薄膜和尼龍薄膜的電鏡照片。（圖片來源于浙江大學求是新聞網）

隨機相位散射光的相干性與渦旋動力學研究

中國科學院上海光學精密機械研究所信息光學與光電技術實驗室與普林斯頓大學電子工程系合作，對具有不同相干長度隨機相位光束經非線性傳播后所形成的散斑場的統計性進行了實驗測量，觀察到隨著自由光渦旋的產生，散斑場的自關聯函數從冪律衰減退化為指數衰減。相關論文發表于Nature Photonics。論文以光子學系統對凝聚態物理中的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相變理論進行了量化實驗驗證，印證了非線性光學與凝聚態物理、冷原子物理等多個學科之間有著某些共同的理論基礎，揭示了隨機光場的相關性與渦旋動力學之間深刻而復雜的聯系，為探索非平衡態下的相干-渦旋動力學提供了新基點。

多尺度共形褶皺功能表面研究

上海交通大學機械與動力工程學院張文明教授團隊開展多尺度共形褶皺功能表面研究。相關成果發表于Advanced Functional Materials。褶皺結構在自然界與人造系統中廣泛存在，如人體皮膚褶皺、氣道黏膜、手指指紋、干枯水果表皮、地質巖層與褶皺連衣裙等。論文提出了一種單層石墨烯后固化轉移方法，構筑了無分層式多尺度石墨烯共形褶皺功能表面，闡明了高溫后固化工藝引入梯度界面層的化學成因，揭示了界面黏合強度增強效應的力學機理，有效解決了多層硬膜-軟基系統中的分層失效難題。這種石墨烯表面具有優異的光學衍射性能與表面浸潤性，在智能表面器件等應用方面有著潛在的價值。

大幀數高幀率的超表面動態全息顯示新方法

武漢光電國家研究中心熊偉教授、夏金松教授及新加坡國立大學洪明輝教授團隊合作，提出了一種新穎的超表面動態全息顯示方法，將高速動態光調制器件與靜態超表面器件結合，實現了可見光波段每秒萬幀的高幀率及海量的動態顯示幀數。相關論文發表于Science Advances。研究團隊設計了基于數字微鏡器件（DMD）的高速高精度結構光場調制系統。該系統可以將DMD微鏡陣列調制的結構光束進行縮束，并精確投影到超表面不同空間信道對應的位置，從而實現每個空間信道的獨立開啟與關閉。DMD器件可以實現每秒萬幀的光場調制速度，利用這種方式實現了大幀數、高幀率的超表面動態全息顯示。

東方粘蟲的嗅覺機制研究

中國科學院動物研究所王琛柱團隊系統地闡述了東方粘蟲對性信息素和糖醋酒液的嗅覺感受機制，為東方粘蟲的田間監測和防治提供了重要依據。相關研究成果發表于Insect Biochemistry and Molecular Biology。東方粘蟲又名行軍蟲、剃枝蟲，是我國重大農作物病蟲之一，主要危害小麥、水稻、玉米、谷子、高粱、糜子等禾谷類作物。它有季節性遷飛習性，農民稱之為“來去無蹤，神出鬼沒”的“神蟲”。在我國華北地區發生的東方粘蟲與日本發生的東方粘蟲可能不是一個物種；含單一Z11-16:Ald的誘芯可用于田間監測和防治東方粘蟲，并注意不可與含有Z9-14:Ald的性引誘劑合用，與棉鈴蟲的性引誘劑也應分別使用。

東方粘蟲雄蛾對性信息素和行為拮抗素的嗅覺編碼模式（圖片來源于中國科學院動物研究所網站）

東方粘蟲雌蛾對乙酸的嗅覺編碼模式（圖片來源于中國科學院動物研究所網站）

新型基因編輯猴模型

昆明理工大學牛昱宇、季維智課題組聯合中國科學院動物研究所劉光慧課題組，紐約大學醫學院龍承祖課題組等研究團隊合作，首次使用單堿基基因編輯（Base editor，BE）技術建立了兒童早衰癥靈長類動物模型。相關論文發表于Protein & Cell。研究通過顯微注射將第四代BE系統，BE4max和靶向LMNA突變位點的gRNA導入猴受精卵，通過胚胎移植成功獲得6只新生小猴。首次證實BE4max可以高效且精確地建立靈長類單堿基突變疾病動物模型，同時報道了全球首例靈長類早衰癥模型。由于人猴高度的親緣性關系和組織結構相似性，靈長類早衰癥模型的建立將有力推動人類早衰癥發病機制和臨床治療的研究。

綿羊的多羔分子機制

中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所肉羊遺傳育種創新團隊儲明星等采用轉錄組和蛋白組學方法對無FecB突變且產羔數存在顯著差異的小尾寒羊子宮進行聯合分析，發現并鑒定了多個與綿羊多羔性狀相關的關鍵基因及信號通路。相關論文發表于Journal of Proteomics。產羔數是綿羊最重要的繁殖性狀之一，尋找影響綿羊產羔數的關鍵基因一直是育種學家關注的焦點。研究結果表明：在單、多羔小尾寒羊子宮中，ACSS3、SDSL、ENSOARP00000002929三個基因的表達在mRNA和蛋白水平均差異顯著；相對于單羔組，在多羔組中顯著上調的mRNA和蛋白質主要富集到鞘脂代謝和氨基酸代謝等能量代謝相關通路。

揭示小鼠基態多能干細胞的轉錄調控新機制

中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院Miguel A. Esteban實驗室和武漢大學陳亮實驗室等單位的研究人員合作，闡明了基態多能干細胞具有和亞穩態多能干細胞不同的轉錄調控機制，證明了基態多能干細胞能通過增強轉錄起始能夠促進Pol2暫停釋放的轉錄調控模型。相關論文發表于Science Advances。在基態多能干細胞中，激活的β-catenin通過在多能性位點招募輔調控因子促進多能性基因的轉錄起始，減少了對BRD4/CDK9調控的暫停釋放的依賴。胚胎多能干細胞的細胞周期相關的基因仍然高度依賴暫停釋放機制進行轉錄，因此兩種條件下的胚胎多能干細胞的增殖均對抑制BRD4/CDK9敏感。

水稻重要害蟲褐飛虱研究進展

華中農業大學植物科學技術學院華紅霞教授、生命科學技術學院張啟發院士團隊聯合揭示了Hox基因Ultrabithorax（Ubx）在水稻重要害蟲褐飛虱中獨特的表達模式及其在翅型分化過程中的關鍵作用，發現了昆蟲翅發育調控的新機制。相關論文發表于National Science Review。地球上的昆蟲預計有1000多萬種，目前已經命名的昆蟲有100多萬種。不同種類昆蟲翅的質地、顏色、斑紋、翅脈均具有鮮明的個性，而翅的形態特征是昆蟲分類的最重要依據。在昆蟲的翅發育過程中，Ubx是一個決定性基因，決定著前翅與后翅的形態分化。褐飛虱是單食性昆蟲，只取食水稻，刺吸水稻韌皮部汁液、傳播水稻病毒。

翅型發育關鍵因子在褐飛虱暴發危害中的作用（圖片來源于南湖新聞網）

翅型發育關鍵基因沉默后顯著影響了褐飛虱翅大小（圖片來源于南湖新聞網）

靈活行動選擇的神經機制

中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心姚海珊研究組發現次級運動皮層的行動選擇信息和感覺歷史信息受到任務需求的動態調控，在靈活行為中具有重要作用。相關論文發表于eLife。能夠根據刺激和行為意義的相似程度進行分類歸納，以便概括地指導行為，是人類和動物生存所必需的一種基本而重要的認知能力。研究人員訓練小鼠根據視覺刺激空間頻率的高低（即條紋的粗細或疏密程度）進行分類，產生向左或向右的行為選擇。結果表明，在靈活視覺分類行為中，M2參與了行動選擇的靈活控制，而且M2神經元對抉擇和感覺歷史信息的表征受到任務需求的動態調控。

抗菌藥物耐受性形成機制研究

中國農業大學動物醫學院沈建忠院士團隊優化了細菌在抗菌藥物壓力下的存活策略，完善抗菌藥物耐受性產生機制，為揭示抗菌藥物治療后病原菌擴散現象的分子機制提供新思路。相關論文發表于Advanced Science。首先觀察到8種常見病原菌包括4種革蘭氏陽性菌和4種革蘭氏陽性菌，均具有入侵宿主上皮細胞并在細胞內存活的能力。在小鼠腸道內低水平抗菌藥物增加了包括蠟樣芽孢桿菌和大腸桿菌定殖于空腸和回腸上皮細胞內的細菌載量。隨后發現以蠟樣芽孢桿菌腸毒素Nhe和金黃色葡萄球菌溶血素α-toxin為研究對象，發現低水平抗菌藥物可以增強多種細菌毒力因子表達，促進細菌入侵。

解析環形RNAs在腦衰老中的生物學作用

中國科學院昆明動物研究所/北京大學研究員李家立課題組揭示了腦內特異性circRNAs動態表達和生物學作用參與了大腦衰老過程。相關論文發表于Nature Communications。大腦衰老的生物學機理十分復雜。circGRIA1，一個由興奮性氨基酸受體-AMPA受體亞基Gria1基因衍生的circRNA亞型，在雄性獼猴腦內多個腦區呈現顯著地增齡性表達升高；而且與Gria1 mRNA表達水平有明顯的負相關。相關研究發現為進一步認識和理解靈長類動物復雜的大腦結構和功能，尋找參與腦衰老進程的調控因子提供了新證據，也為探索衰老相關神經疾病的機理和干預措施提供了參考。

揭示Vesta族群小行星熱物理特性

中國科學院紫金山天文臺季江徽課題組與合作者基于Wide-field Infrared Survey Explorer（WISE）的紅外觀測數據及熱物理模型，揭示了主帶小行星中的Vesta族群的熱物理特性。相關論文發表于The Astronomical Journal。小行星絕大多數分布在火星和木星軌道之間的主帶區域，它們可能蘊含了地球生命和水體起源的重要線索，也蘊藏著“嬰兒期”太陽系的信息，因而具有重要的科學研究價值。Vesta族群位于主帶的內部區域，其成員數目超過15000顆，是主帶最多的族群之一。研究發現其熱慣量隨有效直徑增加呈遞減趨勢，這些天體的幾何反照率相比其他小行星普遍偏高。

黎明號拍攝的灶神星Vesta在南極區域的兩個撞擊坑Reasilvia和Veneneia圖像（Schenk et al. 2012, Science）；右圖：Vesta族群在主帶小行星中空間分布。（圖片來源于中國科學院紫金山天文臺網站）

小行星熱慣量與幾何反照率的分布圖，紅色誤差棒為本項研究得到的Vesta族群的結果，從圖中可看出近地小行星的熱慣量偏大，Vesta族群的反照率相比其他小行星普遍偏高。（圖片來源于中國科學院紫金山天文臺網站）

決定大耀斑爆發屬性的重要因素

中國科學院國家天文臺項目研究員李婷主導的科研團隊建立了目前為止最大的爆發/受限耀斑樣本庫（包含322個M1.0級以上的耀斑），展示出活動區磁通量與CME的發生之間存在的新關系。相關預印論文發表于arXiv。統計研究發現產生耀斑的活動區的總磁通量是決定大耀斑爆發屬性的重要因素，爆發耀斑占總耀斑數的比例與活動區的磁通量表現出很強的反相關，這意味著大磁通量的活動區產生的大耀斑伴隨CME的可能性較小。統計分析還發現臨界衰減因子高度與活動區的磁通量存在強的正相關，說明活動區的磁通量越大，其上方的磁場束縛也越強，因此會約束爆發的磁結構向外運動，從而產生受限耀斑。

星際分子氰基甲亞胺及其同分異構體的化學建模研究

中國科學院新疆天文臺天體化學團組通過理論化學研究，建立了氰基甲亞胺及其同分異構體的相關化學反應網，采用氣相-塵埃兩相模型NAUTILUS對其進行了化學模擬研究。相關論文發表于Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。氰基甲亞胺作為星際介質中一種重要的生命前分子，經過一系列化學反應形成了構成遺傳關鍵物質RNA和DNA核酸堿基的腺嘌呤。同時，氰基甲亞胺是氰基甲胺的光解產物之一，氰基甲胺可通過斯特雷克合成反應生成甘氨酸，而氨基酸是構建生物組織的肽鍵及蛋白質的基元。研究推測氰基甲亞胺及其同分異構體不僅可以在熱核附近或熱核中生成，也可在激波存在的冷環境中生成。

日冕物質拋射的亮前沿具有三層結構

中國科學院云南天文臺太陽活動及CME理論研究團組成員梅志星博士及其合作者，通過三維磁流體動力學（MHD）數值實驗，研究了太陽大氣中日冕物質拋射（CME）的三維大尺度結構。相關研究成果發表于The Astrophysical Journal Letter。數值模擬結果表明，在CME泡周圍存在有螺旋狀電流片/邊界（HCB）。HCB是磁結構中的切向不連續，由CME泡與環境磁場之間的相互作用所產生。它的螺旋形狀是由于CME泡中的磁通量繩的Kink過程引起的。在SDO/AIA合成圖像中，發現了清晰的三層亮前沿：亮的快模激波前沿、亮的HCB、以及亮的MFR外邊緣，且這三者按順序排列從爆發源區向外傳播。

發現強引力透鏡候選體

中國科學院云南天文臺麗江天文觀測站龍潛研究員與云南大學中國西南天文研究所宇宙學研究組爾欣中教授團隊合作，利用人工智能深度學習的方法發現了38個新的強引力透鏡候選體。相關論文發表于Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。星系尺度的強引力透鏡系統是重要的宇宙學探針，目前已證認的強透鏡系統數目過少。該研究構建并訓練了一個卷積神經網絡，該神經網絡使用Julia語言根據引力透鏡數據的特點專門定制，具有規模小、速度快、針對性強的特點。科研人員將其應用于歐洲南方天文臺2.6米巡天望遠鏡（VST）千平方度巡天（Kilo-Degree Survey—KiDS）數據，發現了38個新的強透鏡候選體。

新發現的38個強引力透鏡候選體其中4個的圖像（圖片來源于中國科學院云南天文臺網站）

LAMOST首次發布視向速度變源星表

云南大學田志佳博士、劉曉為教授、北京師范大學苑海波副教授等人分析了LAMOST DR4數據中的重復觀測源，根據視向速度的變化與觀測誤差的關系，估計了恒星為視向速度變源的概率，并首次建立了包含約8萬顆恒星的視向速度變源星表。相關成果發表于The Astrophysical Journal。該成果利用了LAMOST大樣本數據的優勢，建立了首個基于低分辨率光譜巡天數據的視向速度變源候選體星表。該星表包含約8萬顆恒星，其中包括77%的雙星系統和7%的脈動變星，樣本純凈度高于80%。作為變源巡天的輸入星表，這個視向速度變源星表成為了LAMOST DR4數據中增值星表之一。

利用類星體強引力透鏡時間延遲系統測量哈勃常數與引力檢驗

北京師范大學天文系胡彬教授牽頭理論宇宙學研究團組與合作者利用最新公開的4個類星體強引力透鏡時間延遲系統，對哈勃常數與后牛頓參數進行了聯合限制。相關論文發表于Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。哈勃常數刻畫當前宇宙膨脹的速度快慢，是宇宙學的核心參數之一。目前，利用宇宙微波背景輻射數據所得到的哈勃常數的數值與利用超新星數據得到數值有著大于4.4個標準差的不一致性。論文在考慮“哈勃危機”的情況下，完成了在星系尺度上（約4～10kpc）對于廣義相對論的精確檢驗。結果顯示，哈勃常數與修改引力效應在某些特殊星系系統具有強相關性。綜合所有4個星系系統給出了哈勃常數的最優值。

揭秘大質量恒星形成區復雜外向流

中國科學院上海天文臺、南京大學等中日韓天文學家合作，用VLBI技術結合ALMA來研究大質量恒星的形成，在1.6萬光年之外的大質量恒星形成區G25.82-0.17觀測到復雜的外向流結構。相關論文發表于The Astrophysical Journal。質量大于8個太陽質量的恒星雖然稀少，卻深刻影響著星系的演化。它們是星系中重子物質和紫外輻射的主要來源。該研究利用了東亞甚長基線干涉網（EAVN）的子網（KaVa）。KaVa由位于日本的天文廣域精測望遠鏡（VERA）的四面鏡子以及韓國甚長基線干涉網（KVN）的三面鏡子組成。研究發現的準直的外向流及可能的盤結構表明，大質量恒星形成模式可能與類太陽小質量恒星形成模式相似。