世界一流科技期刊文章精選

無序硅中結構轉變和電子躍遷的起源

Nature封面：原子洞察力。Nature雜志第7840期封面文章報道了無序硅中結構轉變和電子躍遷研究進展。非晶硅在高壓下的豐富相行為已經得到了廣泛研究，以期更好地從整體上理解結構無序材料。但是，研究人員一直難以理解這些行為的機制。Volker Deringer及其同事們研究發現，用于模擬加壓非晶硅的原子機器學習模型能幫助闡明這些行為機制，該研究模型能夠覆蓋實驗中遇到的所有結構轉變。文章稱此類計算方法有望為涉及高難度實驗條件的預測性材料建模開辟應用前景。

光子雪崩納米粒子可產生巨大的非線性光學響應

Nature封面：光子雪崩。Nature雜志第7841期封面文章報道了一種非線性光學效應光子雪崩。當某種材料受光照超過一定的閾值光強時，材料就會發出不成比例的大量光子，也就是光子“雪崩”。迄今為止，這種現象只在塊體材料和聚集體中觀察到過。研究表明，銩離子摻雜的納米晶體可以單獨形成光子雪崩。研究人員在單光束、超分辨率成像中使用了他們的納米晶體，達到了70納米以下的空間分辨率。研究團隊指出，他們的雪崩納米粒子或在亞波長成像、光學與環境傳感、神經形態計算方面具有應用前景。

藍色噴流進入平流層的觀測研究

Nature封面：從國際空間站看到的藍色噴流（blue jet）藝術示意圖。Nature雜志第7842期封面文章報道了國際空間站上一設備對藍色噴流的觀測結果。藍色噴流是一類閃電，能從雷暴云頂部向上進入平流層。這些噴流的持續時間不到一秒，尚未得到充分表征，形成過程也仍有爭議。研究人員利用該設備對這類事件的無遮擋觀測，發現了一個從一道云頂明亮藍色閃光開始的藍色噴流，持續時間約10微秒。根據研究團隊的分析，這道閃光可能與啟動云內閃電的無線電波的負窄雙極性脈沖是光學等效的。

利用在線求職平臺監測招聘中的歧視現象

Nature封面：招聘中的種族歧視。Nature雜志第7843期封面文章報道了一種量化招聘歧視的方法，該方法能追蹤招聘單位在求職網站上的搜索行為，并用機器學習控制招聘單位能看到的求職者特征。研究人員在瑞士的一個求職平臺上測試了這項技術，發現移民和少數族裔候選人比來自主體族裔的同等候選人被聯系次數要少4%～19%。研究團隊還發現，在男性占主導的職業中，女性被聯系次數要少7%，在女性占主導職業中也發現了與此相反的趨勢。文章認為，此項工具能以高成本效益、非侵入的方式持續監測并減少招聘中的歧視現象。

（本頁期刊封面圖來自Nature官網）

阿雷西博望遠鏡的設備平臺倒塌

Science封面：20世紀80年代后期俯視波多黎各阿雷西博天文臺305米寬的無線電天線。Science雜志第6526期封面文章報道了阿雷西博望遠鏡倒塌的故事。2020年8月10日，一根支撐著900噸重儀表平臺的鋼索在碟形盤上方斷裂并墜毀。第二條支撐電纜在11月6日斷裂。11月19日，美國國家科學基金會宣布阿雷西博望遠鏡將退役，并以可控方式拆除。但拆除計劃尚在進行中，12月1日，望遠鏡設備平臺就已倒塌。阿雷西博望遠鏡是科幻片《超時空接觸》以及007電影《黃金眼》取景地。隨后，研究人員宣布了在同一地點建造一個耗資4億美元的望遠鏡的計劃。

噴毒眼鏡蛇致痛防御毒液成分的趨同進化

Science封面：一些眼鏡蛇，如莫桑比克噴毒眼鏡蛇（Naja mossambica），利用吐毒液作為一種有效的遠程防御機制。Science雜志第6527期封面文章報道了在防御選擇驅動下發生跨多種表型水平的趨同演化。蛇的毒液主要用來制服或殺死獵物，大多數毒液都有明顯的作用，例如導致死亡或癱瘓。然而，有一種蛇的毒液已經進化，從捕食變成了保護。具體來說，在“吐痰”（噴毒）蛇的3個不同譜系中，毒液用于威懾捕食者。Kazandjian等人的研究表明，在這些譜系中也發生了類似的變化，將細胞毒性成分轉化為作用于哺乳動物感覺神經元并引起疼痛的混合物。

裸鼴鼠群落特有的方言

Science封面：裸鼴鼠（Heterocephalus glaber）。Science雜志第6528期封面文章報道了聲音方言在裸鼴鼠群體中的文化傳播。裸鼴鼠的問候叫聲、柔和的啁啾聲，可以用來交流社會成員身份，這一發現可能有助于闡明社會交流機制。Barker等人的研究顯示，與其他嚙齒類動物不同的是，裸鼴鼠幾乎失明，高度社交化，但又排外。它們有一種群體特有的打招呼聲，一種柔和的唧唧聲。這是裸鼴鼠在生命早期習得的，有助于識別群體成員，從而有助于保持群體的凝聚力。這種柔和的啁啾信號似乎是由女族長或“女王”調制的。

20歲的人類基因組

Science封面：人類基因組序列發表20年。Science雜志第6529期特刊報道了兩個研究小組在《科學》和《自然》雜志上發表了人類基因組的第一份草圖20年后，人類染色體中嵌入的復雜代碼已經改變了研究、醫學和我們對自己的概念。人類基因組計劃（HGP）是一個國際支持的公共項目，它于1990年啟動。DNA測序的高通量技術對該項目的成功至關重要。不斷增加的序列數據推動了相關學科和計算工具的發展。Lara Choksey在她的新書《基因組時代的敘事》中寫道：“如果雙螺旋是現代時代的標志，那么基因組就是現代最后的宏大敘事之一”。

（本頁期刊封面圖來自Science官網）

新型成像技術觀測三維亞細胞毫秒尺度活動的小時級長時活體

清華大學戴瓊海院士團隊突破三維組織分布、光學像差、光毒性等諸多膠著問題的限制，在哺乳動物活體環境下實現了高速亞細胞分辨率長時程觀測。相關成果發表于Cell。遷移體（migrasome）是清華大學俞立團隊最近發現并命名的新細胞器，現在已知遷移體在胚胎發育、免疫系統穩態維持中起重要作用。借助掃描光場顯微鏡（DAOSLIMIT），開創哺乳動物活體環境中遷移體功能研究的新領域。研究人員將中性粒細胞和血管分別進行染色，在活體小鼠肝臟內進行多色成像，首次清晰地觀測到了遷移體和絲狀偽足在哺乳動物體內的生成與變化，為揭示哺乳動物活體多細胞、多細胞器間的相互作用提供了全新路徑。

掃描光場顯微鏡（DAOSLIMIT）系統概念與原理應用示意（圖片來源于清華大學網站）

可逆光開關的拉曼散射成像

復旦大學物理學系教授季敏標課題組與南方科技大學教授吳長鋒課題組合作，通過在二芳基乙烯母體分子中引入炔基，設計出一類具有光敏特性的拉曼探針，實現了可控開關的受激拉曼散射成像。相關成果發表于Nature Communications。受激拉曼散射（SRS）顯微術利用受激輻射原理將微弱的拉曼信號放大數個量級，可實現快速的振動光譜成像。該研究利用可逆光異構化的分子偶聯上拉曼探針，實現對異構化敏感的拉曼光譜響應。通過將分子勻涂成PMMA薄膜，并通過可編程振鏡控制紫外/可見光在薄膜上隨意寫出/擦除文字等信息。通過分子修飾，使之能夠特異性靶向活細胞中的線粒體，在細胞甚至亞細胞層面實現可逆的SRS光開關成像。

“一步機械化學法”制備鈉電池正極材料

中國科學院過程工程研究所趙君梅研究員與合作者開發出制備鈉電池正極新材料。相關成果發表于Nature Communications。儲能技術是可再生能源發電并網和智能電網應用普及的核心技術，也是實現我國碳中和、碳達峰目標的關鍵技術之一，尤以電化學儲能為突出形式。研究團隊率先開發出無溶劑的機械化學法快速制備含碳NVPFs復合物，因能實現原位碳骨架的構建，界面反應得以強化。該制備方法可將液相法的7天生產時間縮短至30分鐘，產品倍率性能和循環穩定性得到極大提升，保證了工業應用的生產效率。令人驚喜的是，產品公斤級放大組裝的商業級26650圓柱電池證實了其高功率和長循環特性。

應用機器學習優化光伏熱電混合系統結構參數

中國科學院工程熱物理研究所張航研究員等人通過對光伏熱電混合系統的優化，探討了機器學習在結構參數優化方面的應用，為其在能量轉換系統性能提升的應用方面提供了實例和參考。相關成果發表于Engineered Science。研究人員選取單晶硅、砷化鎵太陽能電池和不同尺寸的熱電器件進行了研究。當不同光伏電池與熱電器件面積比值（n值）為4時，熱電器件獲得最大的功率輸出。在混合動力系統中，光伏電池和熱電器件輸出的電能相互隔離的情況下，熱電器件獲得最大輸出功率，混合系統的綜合發電效率最高達到32.2%。獲得實驗數據后，研究人員選用機器學習方法，對混合系統光伏與熱電器件的結構參數再次進行優化。

可以自發改變顏色的金屬材料

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理實驗室孫永昊研究員、白海洋研究員等人與國內外科研人員合作，發現了一種可以在自然條件下自發改變顏色的金屬材料。相關成果發表于Journal of Alloys and Compounds。該金屬材料自發改變顏色的特性來自該合金在室溫條件下持續且不中斷的自發氧化。這是一種由稀土元素鈰作為主要組元的非晶合金。它由于鈰的化學活性所以在室溫下有高的氧化速率，由于非晶結構中均勻的缺陷分布，避免了如多晶合金中因局域缺陷位置快速氧化所帶來的銹斑，使得非晶合金的表面氧化層厚度均勻。通過在鈰基非晶合金中摻雜釔，可以加快該金屬材料在自然條件下的變色，實現了對其變色速率的調節。

(a)(b)分別為S0和S5色帶在環境條件下老化1~117天后的表面顏色；（c）為彩色S5色帶的色度圖。（圖片來源于中國科學院物理研究所網站）

具有膜-載體互鎖型復合微結構的高效MOF分離膜

中國科學院大連化學物理研究所楊維慎研究員、班宇杰副研究員團隊利用原位界面組裝策略，構筑了表觀厚度為零、高度取向的膜-載體互鎖型復合微結構MOF膜，實現氫氣/二氧化碳的高效分離。相關成果發表于Science Bulletin。研究團隊利用原位界面組裝策略制備了ZIF-L膜，通過調變配體濃度，可將膜層完全限制在載體孔隙內，形成高度取向的膜-載體互鎖型復合微結構（MIS），膜表觀厚度為零。ZIF-L膜的氣體測試結果顯示，其氫氣/二氧化碳分離因子超過200，氫氣滲透率達4000GPU以上，性能位于工業應用目標區域。MIS-ZIF-L膜還展現出良好的機械穩定性，以硅橡膠墊反復刮擦膜表面，不會造成其選擇性下降。

微腔超模拉曼激光的單模特性

北京大學物理學院、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室肖云峰教授和龔旗煌院士領導的課題組揭示了微腔超模拉曼激光的單模特性，通過激光自注入的方法實現了激射模式的動態切換。相關成果發表于PNAS。回音壁微腔中相向傳播的行波模式可以相互耦合形成一對光學超模；基于這一體系，實驗證明了超模拉曼激光的單模特性。采用激光自注入方法，將輸出的部分拉曼激光再次耦合進入微腔并與反方向的光場干涉，從而動態調控兩個光學超模的損耗。研究人員結合理論計算分析，解釋了拍頻信號來源于兩個激射模式交替過程中的動態干涉，而非穩定的雙模激射。

近閾奇特強子態的統一解釋及新預言

中國科學院理論物理研究所郭奉坤研究員等人構造了模型無關的非相對論有效場論，對強子之間的低能散射進行探究，發現了閾值附近散射振幅的一般性行為，揭示出近閾結構產生的普遍規律。相關成果發表于Physical Review Letters。奇特強子態，就是其內部結構不同于傳統夸克模型中夸克-反夸克構成的介子或3個夸克構成的重子的強子。研究表明，只要兩個粒子之間存在吸引力，那么必定會產生近閾結構，而且吸引力越強、粒子質量越重，近閾結構就會越劇烈。研究預測，如果一對粲強子和反粲強子之間存在吸引相互作用，那么在與之可以耦合的粲偶素和輕強子的不變質量譜上可以看到相應的閾值結構，并指出近閾結構在底強子系統中將更明顯。