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  针对能源储存应用迫在眉睫的问题,开发高能量密度电池体系成为过去20年科研界及工业界关注的重要课题。锂金属是锂电池负极的“圣杯”材料,具有超高的比容量(3860mAhg-1)和最低的氧化还原电势(-3.040Vvs.标准氢电极),在未来高能量密度储能体系(全固态锂电池、锂硫、锂氧电池)中扮演着重要角色。目前,以锂金属为负极、三元高镍材料为正极的液态锂二次电池是实现500Whkg-1中短期储能目标的最佳候选材料之一。然而,锂金属与应用最为广泛的碳酸酯类电解液热力学不匹配,动力学性能较差,极易在锂金属负极表面形成物理化学不稳定的界面膜(SolidElectrolyteInterphase,SEI膜),加速锂枝晶生长和界面副反应,尤其在高倍率循环条件下失效更为严重。因此,开发锂金属负极保护技术,同时寻找动力性能优异且与锂金属负极稳定的电解液是当前行业发展的关键问题。针对以上问题,中国科学院宁波材料技术与工程研究所新型储能材料与器件团队长期以来进行了大量的界面保护结构设计,已在前期取得了一定进展(NanoEnergy2017,39,662-672;Adv.Funct.Mater.2018,28,1805638;NanoEnergy2019,59,110-119;Adv.EnergyMater.2019,9,1802912)。在此基础上,团队基于锂金属负极的界面循环机理开展了更深入的基础及应用研究,并在近期取得了一系列进展。  负极保护技术方面,研究团队与美国太平洋西北国家实验室(PacificNorthwestNationalLaboratory)教授张继光、许武课题组共同合作,基于一种简单有效的离子置换反应在锂金属表面制备了一种银-氟化锂人工界面(图1a)。锂离子在银颗粒表面具有较高的吸附能,可有效降低锂离子在还原过程中的传质能垒,由此获得的锂金属成核过电势为2.2mV,仅为其在常规锂负极表面沉积过电势的3%,可实现锂金属在沉积过程中的有序成核,避免局部的枝晶生长。得益于银颗粒-氟化锂交联的人工界面层的保护,在使用常规碳酸酯电解液的情况下,以1.8mAhcm-2三元材料(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)为正极的锂金属二次电池实现了500周以上的稳定循环,在第500周时的容量保持率高于80%。值得指出的是,此类保护方法同样适用于其它碱金属的负极保护,其中对于钠金属负极的有效保护也在本工作中得到证实(Adv.EnergyMater.2019,9,1901764)。团队还与法国欧洲膜材料研究所(InstitutEuropeendesMembranes)合作,通过升温过程中硅铝合金中的体相共晶转变,获得了一种Al2O3-SiO2的核壳结构(图1b),并基于此结构特殊的界面和体相成分,在锂化过程中快速形成了具有大量LixAl位点的铝基宿主结构用于高效存储锂金属,并与负载量高达4.5mAhcm-2的过度金属氧化物正极构筑了稳定的锂金属全电池(NanoEnergy2020,73,104746)。此外,团队人员还与江西理工大学教授欧阳楚英团队合作,发现在石墨烯表面容易沉积一层金属锂,且对后续沉积反应具有电子扰动作用,使得锂金属沉积极化显著增高,迫使锂离子通过缺陷沉积于石墨烯底层,原位形成人工SEI膜(图1c)。基于此理论认识开发的少层石墨烯-三维储锂结构,不仅能够显著提高液态电解质下锂金属的循环稳定性,还能够改善硫化物固态电解质与锂金属的界面稳定性(Adv.Sci.2020,2000237)。  电解液方面,腈类有机溶剂氧化窗口可达~5V,可覆盖现有主流电池材料的工作电压窗口,且介电常数高、粘稠度低、解离效果好,可形成动力性能极佳的电解液体系,已被广泛应用于超级电容器。但是腈类溶剂极度腐蚀锂金属,一直无法被应用于锂金属电池。近期,团队与美国太平洋西北国家实验室张继光、许武课题组共同合作,首次开发出了应用于高比能锂金属电池的腈类高盐浓度电解液(图1d)。此类高盐浓度电解液不但兼具了腈类溶剂的高氧化稳定性,同时对锂金属的库伦效率可达99.2%以上,且具有优异的大电流性能,能在4mAcm-2的电流密度下实现致密的锂金属沉积。使用腈类高盐电解液,可实现高负载(2mAhcm-2以上)4.5V锂金属电池的稳定循环(Adv.Funct.Mater.2020,2001285)。  以上工作获得宁波市2025项目(2018B10061)以及国家重点研发计划(2018YFB0905400)的支持。图1基于(a)银-氟化锂人工界面,(b)富LixAl位点铝基宿主结构和(c)少层石墨烯-三维储锂结构的锂金属负极保护;(d)对锂稳定的新型腈类电解液

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  保护性的外观相似(Protectiveresemblance)是动物生存竞争中的一种重要的生态适应机制。一个物种可通过与其所生存的环境相似(crypsis隐匿)、模拟环境中的某些物体(masquerade伪装)或者模拟环境中的其它物种(mimcry拟态: 如贝氏拟态和缪氏拟态),从而得以保护自己。很多昆虫,特别是蝴蝶,表现了各种各样的保护性形态,成为达尔文和华莱士用作支持自然选择理论的重要证据。枯叶蛱蝶(Kallimainachus,dead-leafbutterfly)(蛱蝶科)就是具有保护性形态的教科书物种之一,其翅形似叶、翅腹面枯叶色并且从前到后有1条深褐色横线和几条斜线酷似叶脉,静息时竖立的翅极似枯叶,通过伪装成枯叶(也称叶形拟态)从而避免被天敌捕食。尽管枯叶蝶被认为是伪装案例的典型代表,然而对形成这种伪装的遗传分子基础几乎一无所知。  中国科学院昆明动物研究所进化基因组学与基因起源研究组长期以蝴蝶为例,致力于昆虫形态进化的遗传基础研究,在2015年解析金凤蝶(所有蝴蝶的模式种)及其近缘种柑橘凤蝶基因组,并以蝴蝶为例首次实现野生昆虫基因编辑(Li etal.,2015, NatureCommunications)的基础上,一方面继续结合其它多组学数据和功能验证调查蝴蝶形态进化的遗传调控基础,另一方面为了在蝴蝶系统发育的更大尺度下更好地探讨蝴蝶形态等表型多样性进化的遗传基础,于2017年启动了蝴蝶谱系基因组计划。继测定了中国各科代表种类蝴蝶的基因组C值并发现蝴蝶祖先基因组大小均约为500Mb(Liu etal., SystematicEntomology,2020),完成了首个利用Hi-C技术与三代长读长测序技术相结合解析的染色体水平的蝴蝶(碧凤蝶)基因组(Lu etal., GigaScience,2019)之后,该研究团队近期结合核型实验、三代长读长测序技术和Hi-C技术,又成功地解析枯叶蛱蝶染色体水平的高质量基因组。研究结果表明,(1)枯叶蛱蝶具有30条常染色体和2条性染色体(ZW);(2)参考基因组总长约569Mb,scaffoldN50高达19.2Mb,组装到32条染色体,包括30条常染色体及Z和W两条性染色体,这是首个组装了W染色体的蝴蝶参考基因组,也是至今组装得最完整的蝴蝶参考基因组;(3)注释到15039个蛋白编码基因,重复序列高达总序列的近50%;(4)利用4D位点构建进化树提示叶形拟态的枯叶蝶与无叶形拟态的近缘种(庆网蛱蝶)在40百万年前产生分歧;(5)通过PSMC对枯叶蛱蝶的历史种群动态进行分析,结果显示枯叶蛱蝶数量在最近一次间冰期随温度的下降而减少。利用CRISPR/Cas9基因编辑的结果表明,多效基因ebony基因对翅腹面和翅背面的橙色区有重要影响,提示ebony基因在枯叶蝶的生态适应进化中具有重要作用。这些结果为进一步探讨ZW型昆虫性染色体进化、枯叶蝶保护性外观相似的遗传机制和保护色的分子基础提供了重要的基因组资源和方法思路。  该研究以Chromosome-levelreferencegenomeassemblyandgeneeditingofthedead-leafbutterfly Kallimainachus为题,于5月12日在MolecularEcologyResources上发表。该成果是在昆明动物所副研究员李学燕带领的昆虫研究团队潜心专研下取得的,李学燕是该文的末位通讯作者。  该研究得到国家自然科学基金项目(No.31621062)、遗传资源与进化国家重点实验室开放课题 (No.GREKF18-13) 、中科院“西部青年学者”项目(A类)、中科院战略性先导科技专项(B类)(XDB13000000)等的支持。  论文链接

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  近日,国家纳米科学中心聂广军课题组与北京大学第一医院杨尹默课题组合作在非BRCA突变型胰腺癌治疗上取得新进展。相关研究成果“Trapandkillstrategyfornon-BRCAmutantpancreaticcancerbyco-deliveryofolaparibandJQ1withplectin-1targetingpeptidenanoparticles”发表于NanoToday。  胰腺癌是恶性程度最高的消化系统肿瘤,其五年生存率不足10%。聂广军课题组长期致力于胰腺癌的基础与转化研究,基于胰腺癌特殊的临床病理特征和分子机制,提出了系统的胰腺癌治疗策略。针对胰腺癌丰富的细胞外基质,构建了肿瘤微环境响应性多肽-脂质体杂合纳米体系(ACSNano2017,11,8668-8678)及聚乙二醇修饰的阳离子金纳米体系(NatCommun.2018,9,3390),为基质丰富的肿瘤治疗提供了新思路。针对胰腺癌极易产生化疗耐药的特点,设计了个性化脂质体纳米体系,利于增强胰腺癌的化疗敏感性及改善胰腺癌的化疗耐药性(Biomaterials2018,158,44-55)。针对胰腺癌细胞生长代谢过程对铁离子较强的依赖性,采用靶向性脂质体纳米体系,可精确递送铁螯合剂,从而抑制胰腺癌的生长(ACSNano.2019,13,2176-2189)。针对胰腺癌局部ATP浓度较高的特点,开发了具有肿瘤靶向及肿瘤微环境响应性的天然蛋白质纳米机器(NanoLett.2018,18,921-928),实现了化疗药物的精准递送与可控释放。  随着精准医学的发展,科学家对肿瘤基因水平分群的认识不断加深,而纳米生物技术与精准医疗的结合也将开拓肿瘤治疗的新思路。胰腺癌患者中有部分人群携带BRCA突变基因,该人群对DNA单链损伤修复抑制剂Olaparib敏感。针对这一胰腺癌群体,聂广军课题组与杨尹默课题组合作研发了具有靶向功能的自组装多肽纳米体系,同时递送化疗药吉西他滨与Olaparib,对BRCA突变型胰腺癌显示出较强的抑制效果(ACSNano2018,12,10785-10796)。然而,BRCA突变的人群占胰腺癌总体的比例不到10%,为了使更多的非BRCA突变胰腺癌患者从Olaparib的治疗中获益。聂广军课题组与杨尹默课题组再度合作,基于胰腺癌高特异性表面分子标志物(plectin-1),构建了高效靶向性自组装多肽纳米载体,靶向递送DNA单链损伤修复抑制剂Olaparib和DNA双链损伤修复抑制剂JQ1。Olaparib通过抑制DNA单链损伤的修复,增加了DNA双链损伤的累积。而JQ1则抑制了通过同源重组修复途径的DNA双链损伤的修复,进而诱导非BRCA突变型胰腺癌细胞的凋亡,实现对其“诱捕”与“杀伤”的策略(Trapandkillstrategy)(图1),为在占胰腺癌总体超过90%的非BRCA突变患者带来了新希望,具有潜在的应用前景。该研究与本课题组前期针对BRCA突变型胰腺癌的研究形成互补体系,为胰腺癌的精准靶向治疗提供了研究基础。  论文第一作者为北京大学第一医院2017级博士研究生王亚洲和已毕业博士杜冲,通讯作者为国家纳米中心研究员聂广军、赵颖和北京大学第一医院教授杨尹默。该研究获得国家重点研发计划(2018YFA0208900)和国家自然科学基金(31722021,21877023,51673051,81871954)等的资助。  论文链接非BRCA突变型胰腺癌治疗研究获进展

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  中国科学技术大学李晓光团队联合清华大学教授沈洋课题组在高储能密度柔性电容器领域取得新进展。研究者成功找到了一种可以大幅度提高聚合物基复合材料击穿电场强度和介电储能密度的方法,该方法可推广至不同的柔性聚合物电介质材料,为今后高储能电容器的设计提供了一种可行的方案。该成果以NegativelyChargedNanosheetsSignificantlyEnhancetheEnergy-StorageCapabilityofPolymer-BasedNanocomposites为题在线发表在《先进材料》(Adv.Mater.)杂志上。  电介质电容器由于其超快的充放电速率和超高的功率密度,成为智能电网调频、电磁炮等高能武器系统的核心器件,并在新能源电动汽车、可穿戴电子等领域具有广阔应用前景。其中,成本低、易加工、耐高电压的柔性聚合物是最有潜力的电容器电介质材料之一,但其低介电常数导致的低储能密度限制了当今电子工业对器件小型化和高性能化的要求。针对这一难题,人们提出将高介电常数的无机填料加入到聚合物基体中,用于制备高储能密度复合材料,但通常高体积分数的无机材料的加入会降低复合材料击穿电场强度,对使用安全和寿命造成影响。因此,在介电常数提高的同时进一步提升材料击穿场强,是获得高储能密度复合材料亟需解决的难点。  针对上述挑战,合作团队提出了一种普适的可行策略,即利用带负电无机填料的局域反向电场抑制二次碰撞电子的产生,从而阻碍击穿相的形成发展,进而提升复合材料击穿场强和储能密度。基于此,研究人员制备出掺入少量带负电的2维Ca2Nb3O10填料的聚偏二氟乙烯(PVDF)基复合材料,在提高其介电常数的同时,获得了极高的击穿场强(~792 MV/m)和储能密度(~36.2J/cm3),该柔性电容器的储能密度是目前已报道聚合物基复合材料中最高的,是目前最好的商用双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜电容器的18倍,甚至超过了商用电化学电容器(20-29J/cm3)。此外,相比于PVDF基体,复合材料的杨氏模量也有明显的提高而漏电流密度依然维持在较低水平,这些分别有利于避免机电击穿与电热击穿的发生。为了进一步验证该策略的普适性,研究人员基于相场模拟和有限元计算验证了纳米片填料负电荷对抑制电击穿的重要作用,并在聚苯乙烯(PS)基复合材料中同样实现了击穿场强与储能密度的大幅提升。该项研究工作为今后高能量密度柔性电介质储能材料的实用化提供了全新的思路。  中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理学院教授李晓光、殷月伟以及清华大学材料学院教授沈洋为论文通讯作者。中国科大博士生包志伟、侯闯明和清华大学博士生沈忠慧为论文共同第一作者。  该项研究得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、中国科大“双一流”人才团队平台项目的资助。  文章链接图例说明:a. 复合材料示意图。b. 复合材料电击穿过程的相场模拟中,带负电Ca2Nb3O10纳米片对电树枝发展起阻碍作用。c.PVDF基复合材料与纯PVDF的储能密度与电场的关系。d. 不同聚合物基纳米复合材料的击穿强度和能量密度的对比。

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  青藏高原是我国主要的土壤侵蚀区之一,由于受到气候变化和人类放牧活动的影响,藏北高寒草甸植被侵蚀、破坏严重,亟需恢复和治理。了解禁牧条件下高寒草甸植被的时空动态及其控制因子,对高寒区土壤侵蚀防治以及草甸植被管理具有重要的实际意义。  植被盖度(VC)是植被生长重要的指示指标,目前,青藏高原VC的研究多以植被指数(如NDVI)为中介,利用遥感手段研究NDVI的时空变化,但在退化的低VC区,NDVI对裸露土壤背景信号敏感,会导致VC与NDVI的关系具有不确定性,反演精度降低。此外,多数研究集中在较大尺度,缺乏中尺度(百米尺度)的研究。中尺度VC的研究可弥补点和区域尺度研究的空白,为二者的尺度转换起到桥梁作用,同时中尺度的研究结果可为遥感产品提供面域校正数据,提高遥感反演的精度。  中国科学院南京土壤研究所梁音课题组以藏北一处典型退化高寒草甸为对象,基于数码照片提取2015年和2016年两个生长季的VC数据,利用地统计、时间稳定性、传递函数等方法分析了样地内VC的时空分布特征、主要影响因素,并基于最小变量组建立了VC的传递函数估算模型。研究发现,两个生长季的VC均在空间上表现出中等程度变异性和较强的空间依赖性,总体上在样地西北部、中部和南部VC数值较高,东部数值相对较低。空间上VC主要与土壤容重、pH具有显著的负相关关系,与有机质、全氮和全钾含量具有显著的正相关关系。VC具有较强的时间稳定性,空间模式在时间上具有相似的分布特征,利用测点63处的VC值代表样地平均值具有较高的精度。时间上,VC主要受30cm深土壤含水量(SWC30)、太阳净辐射、空气温度(Ta)、相对湿度和大气压(Pres)的影响。研究区气候条件对VC的影响要大于土壤性质和地形等空间因素,基于SWC30、Ta和Pres建立的VC时间估算传递函数模型具有一定精度,能够解释60%以上的时间变异性。该研究首次明确了藏北中尺度典型退化高寒草甸的时空分布和主要影响因素,可为高寒区土壤侵蚀防治和草甸植被恢复管理提供数据基础和理论依据。  该研究成果发表在Catena上,研究得到国家重点研发计划(2018YFC1801801)、国家自然科学基金(41807019)和江苏省自然科学基金(BK20181109)的支持。植被盖度在2015和2016生长季的时间分布及对降雨和土壤含水量的响应特征

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  细菌耐药性的存在使得细菌感染成为临床治疗的严重障碍,特别是对于革兰氏阳性细菌,例如:耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌,其会大大降低对碳青霉烯和万古霉素的敏感性。而革兰氏阴性杆菌则很容易演变成耐药性菌株,难以消除。多药耐药性的大肠杆菌和鲍曼不动杆菌就是具有耐药性的革兰氏阴性细菌,前者会引起严重的院内感染和泌尿道感染,而后者则常导致顽固性感染。基于抗生素的传统药物不再能够有效控制感染,可能导致抗生素最后一道防线岌岌可危。  中国科学院成都生物研究所天然产物研究中心研究员邵华武课题组与南方科技大学教授蒋兴宇课题组、四川大学教授侯贤灯课题组合作发展了一种未添加任何抗菌成分的金属有机骨架(MOFs)非抗生素型抗菌剂,此类抗菌剂有望应用于被多药耐药细菌感染的慢性伤口的光动力治疗。双金属基MOFs[PCN-224(Zr/Ti)]由PCN-224和钛源通过简便的阳离子交换策略制备。钛的掺入使其能在可见光下显示出增强的光催化性能,并产生充足的活性氧,从而能够有效地对抗耐药细菌。通过静电纺丝技术可将MOFs负载到乳酸-乙醇酸(PLGA)纳米纤维上制备得到高生物相容性及低细胞毒性的伤口敷料。  实验结果表明,该伤口敷料能以高效的光动力治疗模式促进动物体受多药耐药性细菌感染的慢性伤口愈合。尤其重要的是其制备简便易行、成本低廉。该MOFs材料在抗菌应用中具有显著的效果,且无需使用其它的抗生素,从而不会增加由于严重的多药耐药性导致的环境中抗生素污染的可能性。  此项工作探索了MOFs材料作为非抗菌剂在光动力治疗中的潜力。同时,该MOFs也将具有广泛的应用,例如:医疗设施的安全灭菌。  该研究结果在Small(2020,16,1906240)上发表。  论文链接制备过程示意图

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