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  《分子植物》的影响因子在2016年超越曾经的世界植物学领域期刊“老大哥”——美国植物学会会刊《植物细胞》,排名仅次于《自然—植物学》,位列世界第二,本土论文来稿比例也逐渐由原来的三分之一上升到一半以上。  创刊12年,影响因子突破12,连续四年超越本领域美国同行,位列世界第二。据国际权威机构科睿唯安发布的2019年度《期刊引证报告》,上海出品的《分子植物》与《细胞研究》《纳微快报》一同闯入“影响因子破10”方阵,成为九本影响因子破10的中国科技期刊之一。  随着国际影响力的不断提升,《分子植物》在选稿上越来越注重来自中国的优秀成果,本土论文比重由原来的三分之一上升到一半以上。善待国内稿源、关注成果的“中国意义”,成为编辑部一条不成文的准则。  全球8000多个研究机构订阅,每月下载量超5万次   2006年筹建,2008年创刊,《分子植物》在创刊之初就定下了“办一本高质量、国际化学术期刊”的目标。  当时,刚踏入21世纪,正经历着生命科学与信息技术并行高速发展的划时代变革。中国在植物学研究领域“高光”成果持续产出:随着水稻、棉花等重要农作物基因组研究快速、深入推进,来自中国科学家的优秀论文频频亮相国际顶级学术期刊。  “处于快速发展期的中国植物科学,论文数量逐步超越英美等国,近年已位列世界第一。”《分子植物》主编、中国科学院院士韩斌认为,中国优势领域研究成果的发表,需要更多与之相配的世界一流科技期刊。  实行国际国内双主编制、组建国际化编委、与牛津大学出版社合作出版,《分子植物》创刊5年后影响因子就突破5,在全球植物期刊界崭露头角。为进一步拓展杂志影响力,2015年《分子植物》与细胞出版社达成合作,进入国际一流期刊出版和发行渠道。截至今年6月,《分子植物》已被全球8000多个研究机构订阅,每月全文下载量超过5万次。  与此同时,编辑部团队也经历了一次大调整。通过全球招聘,六位科学编辑组成了专业编辑团队。他们分别来自英国、丹麦、加拿大等国,几乎全部具有海外留学工作经历,其能力均可在国外一流期刊任职。曾在美国从事博士后研究的崔晓峰,于2012年起担任《分子植物》常务副主编,具有国际视野、拥有全球人脉、国际认可度高,是这支专业编辑团队的醒目标识。  在这支专业编辑团队带领下和国际化编委会的支持下,2016年,《分子植物》的影响因子超越曾经的世界植物学领域期刊“老大哥”——美国植物学会会刊《植物细胞》,排名仅次于《自然—植物学》,位列世界第二。  在亮眼的“成绩单”面前,崔晓峰保持着一分清醒与冷静:影响因子仅仅是衡量杂志影响力的指标之一,未来三到五年,团队将专注于提升《分子植物》的软实力,在本领域科学共同体中积攒口碑和认可度,进一步提升期刊的国际话语权。  善待国内投稿、关注成果“中国意义”,影响因子不降反升   在崔晓峰看来,期刊的国际影响力并不能简单理解为“高比例的国际来稿”。相反,《分子植物》越来越重视来自国内的优秀稿源。  这一转变,同样离不开中国科研飞速发展的大背景。《分子植物》创刊之初,广收本领域成果,通过国际编委的严格评审,以70%的高拒稿率优选论文发表,这是确保新刊质量高起点,提升影响力的关键。随着影响因子的提升,编辑部收到的国内优秀成果逐渐增加。  “这既有国内影响因子‘指挥棒’的导向因素,但更重要的是,体现出国内科学家对本土科技期刊的信任和期许。”崔晓峰说,在当下国际科技竞争格局下,国内学者愈发意识到本土期刊的重要性,愿意将好论文率先投稿给《分子植物》。  近年来,《分子植物》的国内来稿比例从原来的三分之一上升到一半以上,但期刊的影响因子不降反升,这说明国内优质稿源发挥着强劲支撑作用。而善待国内来稿,也成为编辑部的一条不成文准则。“《分子植物》既是世界的,也是中国的。”崔晓峰说。  过去两年,《分子植物》以封面论文的形式连续发表中国科学院院士、华南农业大学刘耀光教授的水稻研究成果。经过多年研究,刘耀光团队先后培育出两种水稻新品系——紫晶米、赤晶米,稻米中分别富含花青素、虾青素,对于改善我国营养缺乏地区人群的健康意义重大。然而,这样的研究成果在国外期刊编辑看来并不重要,论文在海外投稿屡屡“碰壁”。  “中国是农业大国,粮食生产更是国计民生的基石。关乎国家重大需求的科研,理应是中国本土学术期刊的关注重点。”崔晓峰说,去年《分子植物》发表了不少国内水稻研究的优秀成果,“科学家将论文写在祖国大地上,我们要将这些中国研究呈现好,让他们在世界学术舞台上闪闪发光”。  为分流日益增多的投稿,《分子植物》于去年创办姊妹刊《植物通讯》,以期双刊联手持续拓展国际影响力,并为中国科学家服务。  与科学传播同步的还有文化传播。作为一本立足上海、扎根中国的本土学术期刊,《分子植物》有意识地将中国文化元素融入杂志封面和插图中,鹊桥相会、孙悟空、丝绸之路、茶马古道等具有传统文化底蕴的中国元素,先后登上《分子植物》的封面。这不仅是中国科研和文化自信的一种体现,也是在分享科技前沿成果的同时,在世界舞台上传播中国文化、讲述中国故事。  (原载于《文汇报》2020-08-1402版)

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方敬忠(左三)和团队成员讨论工作。  方敬忠  中科院光电技术研究所光学轻量化与新材料技术中心研究员。主要从事光学工程和材料学方向的研究。获中科院科技进步奖一等奖、中科院杰出科技成就奖、省部级科技进步奖一等奖等。  我们了解一位科学家,往往最先关注的是他的科研成就。但人们也好奇,光环的背后隐藏着一个怎样丰盈的灵魂,使他凭借一腔热血在科研道路上砥砺前行。  答案就在光学轻量化与新材料技术中心研究员方敬忠和其团队中。  人生航向明晰只待起锚远行  方敬忠在中学时代经历了“文革”和“上山下乡”运动,生活的磨难使他对继续求学充满渴望,他坚持学习,在恢复高考后第一批考上大学。  大学毕业后,方敬忠被分配到青海省人事厅工作,待遇优厚、生活安稳有序。但这并没有让他陶醉,反而思索起自己未来的发展道路,最终下定了献身祖国科研事业的决心,申请到科研单位工作。1987年,他来到中科院光电技术研究所。  终于可以开展科研工作,但如何选择合适的研究方向?  综合考量,方敬忠最终选择了反射镜轻量化技术研究作为主要研究方向。主反射镜是大型光学望远镜的核心部件之一,光学系统轻量化对于大型地基光学望远镜或大型空间光学望远镜具有重要意义。  反射镜轻量化技术是集光学、材料学、力学、热学等多学科交叉的前沿性研究领域,这对大学所学为无机材料工程的方敬忠而言是个挑战。  专业领域上的精耕细作  研究工作开始时,方敬忠面临着研究基础薄弱、经费短缺等重重困难,甚至一度对研究方向选择产生质疑。但他迎难而上,在老专家的支持下,和课题组研究人员一起夜以继日地扎根在实验室。他与同事经常骑着自行车往返60公里到位于市区的省情报所借阅资料。  为了研究得以顺利开展,方敬忠先后自学了温度控制、结构设计、力学分析等专业知识。在研究工作的关键阶段,他更是通宵达旦地工作,研究和解决技术难题。经过数年的艰苦攻关,研究取得突破性进展,为反射镜轻量化技术的工程化应用奠定了技术基础。  在方敬忠带领下,光电所反射镜轻量化技术研究工作取得了丰硕的研究成果,反射镜轻量化技术也成为我国大口径光学系统重要的支撑技术。  有专家这样评价方敬忠的工作:“方敬忠同志工作踏实,学风严谨,他所带的研究团队年轻有朝气、攻关能力强。可以说没有反射镜轻量化技术,就没有光电技术研究所在空间大口径光学系统技术领域的一席之地。”  “科研工作者一定要有担当”  “科研工作者一定要有担当。”这是方敬忠经常对周围人说的话,也是他多年以来的行事准则。  上世纪90年代,方敬忠承担了某航天工程项目产品关键部件的研制任务。经过艰苦努力,研制任务顺利完成,产品经过检验合格提交给用户单位。  但用户单位在开展系统整机实验时发生了意外情况,在参加总体单位组织的由多方参与的事故“归零”分析会议时,方敬忠表态:“我们从事的是一项对国家、对人民都非常有意义的工作,我们光电技术研究所愿意和你们一起,当是自己的环节出了问题,各自寻找可能存在的问题,仔细分析和研究,争取早日找到解决问题的办法。”  方敬忠这一表态赢得了总体单位和用户单位的一致赞赏。经过多方努力,终于解决了问题使研究工作顺利开展。十几年来,该用户单位与方敬忠研究团队一直保持着良好合作关系。  2008年“5·12大地震”稍稍平静后,方敬忠首先想到的是存放在作业区价值千万元的产品和原材料。他组织单位骨干,冒着余震的危险,将产品和材料搬运到安全地点并日夜看护。  为了将地震对项目研究工作的影响降至最低,局势稍稳后,方敬忠便组织大家在简易防震棚里继续开展工作。经过团队的共同努力,相关单位研制的系统关键部件并没有因地震而延期交付。  即便从岗位退下,方敬忠也一如既往关心项目进展,每天八点十分准时出现在办公室,到现场察看项目进展情况。  新时代的精神坚守  科技创新的巨轮不断前行。方敬忠在已有的成绩面前没有固步自封,依然不断拓宽自己的研究领域。  “不能靠一条腿走路。”与方敬忠共事16年的陈益超说,“这是方老师十多年前就经常对大家讲的话。”方敬忠在团队中鼓励新思维、新方法,强调开辟新的研究方向。轻量化中心团队目前在编28人,其中10人专注于新材料研究。  近年来,在方敬忠的带领下,团队致力于开展新型反射镜材料与先进复合材料合成技术研究,其中一些研究方向已进入工程化应用阶段,为光电所反射镜轻量化技术的发展注入了新的活力。正在开展研究的多项前瞻性应用基础研究工作也取得了阶段性研究成果。  初心不改,清风自来。科技创新是这个时代的嘹亮号角,相信方敬忠和他的团队已做好准备,必将在新的科技征程里再奏凯歌。  (贺晓栋,作者单位:中科院光电技术研究所)(原载于《中国科学报》2020-08-13第3版信息技术)

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  组装一台高端服务器整机,需要多久?在中科曙光福建高端整机智能制造基地,答案是两分钟。  近日,中科曙光高级副总裁任京暘在首届信息产业先进制造高峰论坛上透露,随着新一代智造工厂的落成,其服务器产品的生产效率和迭代效率大大提升。  服务器的装配工作并不简单,除了需要将各类处理器、内存、硬盘、网卡等部件组装到主板上和机箱内,还需要确保机箱、主板及部件的完好无损,并通过先进的测试技术完成质量检验,整个制造工艺比较复杂。以前,这一系列工作通常需要经验丰富的技术工人完成。  高效率装配实现柔性制造  “高效率组装一台服务器,得益于工业机器人的自动化、智能化装配。”中科曙光副总裁张迎华对《中国科学报》介绍说,一台服务器的生产可以拆分成多个工序,不同工序用时有别,“比如嵌入CPU可能需要90秒,装配内存需要80秒等。在流水线上,不同工站机器人、机械臂同时运转,实现协同生产,整个装配的节拍取决于速度最慢的那个工作站,只要让最慢的工站控制在两分钟,那么整条生产线的节拍差不多就是两分钟组装一台服务器”。  流水线往往青睐于同规格、同配置产品的大规模量产。然而,不同用户对服务器的配置需求迥异,提交到工厂的订单也“五花八门”。面对这些问题,智造工厂如何应对?  “柔性制造可以解决这一难题。”张迎华说,智能工厂首先将销售订单信息转成生产订单信息,然后对订单进行排序,接下来智慧仓储物流系统根据需要从库房调度不同的原材料运送到流水线的各个工站,并智能调度不同的机器人、机械臂、治具等开展协同生产,实现最优化的生产排程和不同种类产品的混合生产。他透露,通过“合并同类项”和分配机器人用工,目前曙光智能化生产线可支持6种不同产品的柔性生产,同时支持复杂订单排产模式。  “以用户为中心,通过‘人—机—物—环境—信息’等的优化融合、互联,个性、柔性地交付生产制造,是智能制造新模式。”在上述论坛上,中国工程院院士李伯虎表示。  日臻完善的智能生产线  用户订单的高效率交付,离不开智造工厂日臻完善的智能生产线。  张迎华介绍说,除了离线型的智能设备,中科曙光还研制出高端整机的通用智能制造生产线。比如,由1个线边立体库和4个智能工位结合设计的“猎户座一号”智能生产线,具有简易化、小型化、智能化的特点,可以实现中高端产品年产能5万台的目标;升级版“猎户座二号”复杂度更高,可支持的产品形态更丰富。  张迎华透露,通过智能制造生产线的建设,福建高端整机智能制造基地已能够实现年产量10万台高端整机的目标。  “中科曙光智能制造的技术能力,主要体现在6个维度:智能工厂的整体规划设计、3D建模仿真、智慧仓储物流系统解决方案、工业治具的设计和加工能力、机器人编程算法和控制技术、电气规划设计工艺和技术。”张迎华说,这其中包含了曙光智能制造的技术融合理念,即机器人设备与质量检测技术的融合、先进制造与先进计算技术的融合等。  “融合”推动发展  “对于智能制造,最初中科曙光需要智能制造解决方案实现高效率生产和高品质目标。通过这几年建设智造工厂的实践,并将曙光最擅长的先进计算等技术融入到智能制造方案之中,实现了智能制造的融合和创新,中科曙光智能制造逐步成长为业内的创新者。”张迎华说。  张迎华披露,近年来曙光承担了多项国家重大科技项目,从2016年起,陆续承担智能制造、绿色制造、智能工厂新模式等课题专项,最近又成功入选了工信部数字化车间方向的智能制造系统解决方案供应商。  同时,记者了解到,中科曙光在智能制造领域的“横空出世”,除自身技术积累和实践外,也离不开与上下游伙伴的积极合作。同样孵化自中国科学院的沈阳新松机器人自动化股份有限公司(以下简称新松机器人),就是其中重要的一个。  新松机器人总裁曲道奎介绍说,新松机器人拥有丰富的机器人系列产品,而中科曙光对服务器的设计、生产、制造全流程有深刻的理解。针对服务器产品快速迭代、小批量、多层次定制化生产这些痛点,双方通过发挥各自优势,打造业内领先的高端整机智造解决方案,来实现服务器产品柔性、精细化的制造。  “通过信息技术与先进制造业的融合,可以产生更大的价值,孵化出更为先进的智能制造装备和解决方案。”张迎华说,除了类似智能内存检测设备这样的技术层面的融合,产业链方面的融合也非常重要,产学研用一体,可以解决许多痛点问题。  在采访中,张迎华进一步表示,目前我国在制造领域“软实力”(工业软件)的差距相比“硬实力”(硬件设备)更大,希望未来能够与各合作伙伴协同创新,以一种更加开放的心态继续攻坚克难。  (原载于《中国科学报》2020-08-06第3版信息技术)

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冷却塔正在释放经由重力热管传导至地面的热量。黄文博供图  地热资源是一种极具竞争力的战略接替能源,按载热介质可分为水热型和干热岩型。干热岩热能开发尽管概念出众、潜力巨大,但国际开发经验表明,深层干热岩中的热能难以取出,开发项目大多入不敷出。  好消息是,近日,中国科学院广州能源研究所研究员蒋方明团队在干热岩超长重力热管取热研究方面获得突破。研究人员将一根独特的重力热管安装在数千米深度的地热单井中,成功实现从干热岩中持续取热,并将热能传输至地面。  蒋方明认为,该进展不仅为干热岩热能的开采找到了一种全新的技术途径,也为水热型地热资源开发利用提供了一种“只采热、不采水”的解决方案。并且,该技术具有高效、稳定、运行成本低的特点,有望实现较好的经济效益。  只要一口井的“地下锅炉”  “简单来说,热管就是在一个真空管体内部注入一定量的液态工质。而重力热管是热管的一种,它依靠重力实现流体工质的循环流动。”蒋方明告诉《中国科学报》,“液态工质在热管底部蒸发并流向热管顶部,冷凝放热之后液体再在重力作用下回流至热管底部,从而持续将热量从热管底部传输至顶部。”  虽然热管技术在航空航天、化工、电力等领域已经有广泛的应用,但通常来说热管的长度一般都在10米以内,若长度超过10米,热管的传热性能就可能会大幅下降,难以维持良好的均温性。  在过去几十年的发展中,重力热管技术的主要难题是如何在长距离、高传热量的运行工况下实现管底工质的高效蒸发相变,减少湿蒸汽的流动阻力,避免气液卷携效应,提高系统高效稳定性。  也就是说,蒸汽和液体在狭窄的管道中可能会“撞车”。  “这个难题在我们开展的取热试验的设计实施过程中,已经通过热管结构设计和工质优选等方式实现技术突破。”蒋方明介绍称,他们依据具体的地热井地温参数和水文条件优化结构设计及优选工质,使管内外传热物质充分耦合,达到更佳的采热效果。  “我们研发的新型超长重力热管技术,将热管的有效传输距离提升至3千米以上,从而可以实现对埋藏数千米深的地热能的开采。”蒋方明说,他们在近期进行的现场试验中,在地下取热段岩石平均温度为119℃的地热条件下,地面获得了温度最高达90℃的饱和水蒸气,持续采热功率接近200千瓦。  中国科学院广州能源所博士后黄文博告诉记者,重力热管采热系统类似在地下数千米深处建设了一个“超级锅炉”,“锅炉”的“燃料”即是干热岩中的热能。“锅炉”产生的蒸汽通过数千米的管道自发地流向地面,此后利用蒸汽所包含的内能(主要是潜热)进行发电、供暖,甚至驱动热泵制冷。  此外,记者了解到,该技术并不仅限于干热岩型地热资源的开采。作为一种“只采热不采水”“无泵驱”的高效单井地热开采技术,其也能够在地热水开采受限的区域开采水热型地热资源,其应用范围宽广,并有形成标准化产品的应用前景。  有望解决应用中的工程问题  蒋方明告诉记者,相对于水热型地热资源,干热岩的优点可以归结为三点。  一是质好,即品位高。其原因在于干热岩的高热储温度。数据显示,在10千米深度,青藏高原和帕米尔高原的干热岩热储温度可达450℃,其它地区可达250~300℃,高于75℃的占98%。  高品位的热能决定了干热岩地热能的利用模式不局限于供暖,还具有极大的发电制冷等综合利用的潜力。与太阳能、风能等其他可再生资源相比,地热能的能量输出具有高度的稳定性和持续性,不受气候、昼夜交替影响,可用作基础负荷。地热发电系数高达72%~80%,是风能的3~4倍、太阳能的4~5倍。  二是量大。在地热能中,水热型的地热能仅占不到10%,而超过90%的都为干热岩型地热能。计算结果表明,中国大陆(3~10千米深度)干热岩地热资源总量为20.9×1024焦耳,合714.9×1012吨标准煤,当量相当于目前全球已探明可采石油储量的50倍。若按2%的可开采资源量计算,则是传统水热型地热资源量的168倍,相当于中国2019年能源消耗总量的近3000倍。  三是分布广。在中国境内,干热岩型地热分布广泛,除了青藏高原等温度高、储量大的干热岩靶区以外,京津冀环渤海地区、华南地区等能源需求紧张的地区,也分布有干热岩型地热资源。  既然干热岩资源绿色环保、质优量大,那么目前的应用状况如何呢?  据黄文博介绍,增强型地热系统(EGS)是一种工程实践较多的干热岩型地热开采方案。该系统通过水力压裂在两井或多井间形成连通的裂隙网络,再通过抽注流体工质的方式,让工质在地下岩体中循环流动,从而持续开采地热能。这种方式的出水温度与采热量都很高,具有规模化发电潜力,是长期以来开采干热岩热能的主流发展方向。  但就目前来看,该技术仍存在井下连通困难、工质损失严重、投资过高、技术风险大等问题。在世界范围内,迄今仅有极少数工程项目能够实现持续的商业化运行。  “这种技术概念看起来很好,但国际地热界四五十年的实践证明,该技术一次性投入太大,投入产出比太低。”中国科学院院士汪集旸告诉《中国科学报》,“比如法国的苏尔士地热项目总计投入近百亿欧元,但现在发出的电仅2000千瓦,电站本身还要用掉至少200千瓦电,最后能拿到手的也只有1000多千瓦电。”  而重力热管技术相对于EGS的优势在于结构简单,不需要或很少需要水力压裂,投资较小,且管内工质不与地下岩体直接接触,取热工质仅在封闭腔体内流动,没有腐蚀、结垢、工质损失等问题。此外,热管系统产出气体工质,气体工质热利用的方式比高温水更加多样化,发电、制冷和供热都可以直接使用,无需进行闪蒸就可以直接驱动汽轮机进行发电,大幅简化了地面设备结构。  蒋方明认为,在我国北方地区,该技术能够高效地与地源热泵技术相结合进行供暖,可以获得更高的能量转化效率。  干热岩依然不失为潜力股  2012年中国地质调查局展开了全国范围的干热岩资源调查评价。2017年年初,国家发展改革委、国家能源局、国土资源部联合公布了《地热能开发利用“十三五”规划》,其中提到干热岩的勘探评价重点区域为:藏滇高温地热带、东南沿海、华北、松嫩平原等地。  其中,青藏高原南部占中国大陆地区干热岩总资源量的20.5%,温度也最高。青海共和盆地圈定了干热岩体并成功钻探,在其中一个3705米勘探孔,测得孔底温度达到236℃,已构成圈定干热岩资源靶区十字剖面的基础条件,表明我国具有国际认定标准的优质干热岩资源。  其次是华北和东南沿海中生代岩浆活动区(浙江、福建、广东),分别占总资源量的8.6%和8.2%;东北(松辽盆地)占5.2%;云南西部干热岩温度较高,但面积有限,占总资源量的3.8%。近年来,在华北平原的河北唐山,东南沿海的广东阳江、惠州,福建漳州,海南福山等多个地区均发现优质的干热岩资源,证明上述地区具有较大的干热岩资源潜力。  据蒋方明介绍,该团队自主研发的3000米长度重力热管,近期已在河北唐山海港经济开发区马头营一口干热岩地热深井内成功开展了取热试验。试验结果显示,在地下取热段岩石平均温度为119℃的地热条件且不经过人工压裂的情况下,地面获得了温度最高达90℃的饱和水蒸气,持续采热功率接近200千瓦。  “这是世界范围内首次实现干热岩地热资源的重力热管技术‘无泵式’开采,取得了干热岩地热资源开采技术的重大突破。后期我们将在雄安新区等地开展进一步的应用示范。”蒋方明说。  汪集旸认为,地热资源是一个聚宝盆,有很多问题亟待解决。重力热管单井长距离取热技术的突破,不仅能让干热岩资源更接近实用,对于水热型地热资源的可持续开发,以及众多老油田的水、热资源再利用也有很多潜在价值。  (原载于《中国科学报》2020-07-22第3版能源化工)

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  近年来,钙钛矿太阳能电池在柔性可穿戴电子设备等方面具有独特的优势和巨大的应用潜力。然而,钙钛矿却是块“硬骨头”,其易脆性、结晶性等特点影响着其“柔性”应用的进一步发展和商业化拓展。  为了让钙钛矿太阳能电池更“温柔”,中国科学院化学研究所研究员宋延林、江西师范大学教授陈义旺、南昌大学研究员胡笑添团队展开联合攻关。近日,研究人员受坚硬的脊椎骨骼结晶和柔性结构的启发,研发出一种导电粘性聚合物界面层,通过仿生晶界和结构设计,实现大面积柔性钙钛矿太阳能电池的印刷制备。相关研究结果已发表于《自然—通讯》。  相信你的“温柔”本质  钙钛矿中的有机金属卤化物半导体具有吸光特质,研究人员受此启发,研制出钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池具有可低温溶液加工、大面积印刷制备的工艺特性,被公认为是有望用于质轻、柔性光伏器件的光敏材料。  但是,钙钛矿电池“点石成金”的道路并不平坦。钙钛矿材料及氧化铟锡透明电极本身质脆、耐弯折性较差等力学结构设计问题,令其应用受阻。  胡笑添告诉《中国科学报》,柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性较差。钙钛矿作为一种晶体材料,在应力作用下容易产生裂纹,进而影响器件性能。同时,柔性钙钛矿太阳能电池很“敏感”。钙钛矿材料对水氧反应灵敏,在富氧富水的工作状态下,容易发生降解。  除了稳定性,宋延林认为,现阶段,基于高质量钙钛矿薄膜的大面积印刷工艺尚不成熟,需要对钙钛矿薄膜制备过程中的形核结晶过程进行细致分析和精确调控,“钙钛矿器件的大面积制备任重道远”。  面对制备难题,胡笑添依然相信其潜质。“我们的研究工作始终以可穿戴太阳能电池为目标,进行适当的改性、封装和力学结构设计。”  在这方面,陈义旺与胡笑添有一样坚定的信念。“我认为钙钛矿太阳能电池最大的优势就是具备应用于柔性器件的潜力。虽然钙钛矿太阳能电池还未实现商业化,但逐年突破的器件效率和稳定性给了我们继续研究下去的信心和勇气。”陈义旺说。  带着相同的信念,研究团队实验了多种方法,但始终未能取得理想效果。  弯腰找灵感  在研究一筹莫展之际,胡笑添注意到了奇妙的脊椎骨骼。脊椎骨骼也是块“硬骨头”,但却具有柔性,可以反复弯曲。其柔性结构是“硬—软—硬”材料相结合,生长一般基于疏水软骨的形核结晶过程。  基于此,研究团队联想到设计一种类似脊椎软骨的黏性疏水界面层,从结晶仿生和结构仿生两方面协同调控钙钛矿晶体的结晶质量和耐弯折性能,从而实现大面积柔性钙钛矿太阳能电池的印刷制备。  经过反复实验,研究人员合成了一种疏水黏性导电聚合物,并将其作为界面层应用于钙钛矿太阳能电池的氧化铟锡透明电极和钙钛矿层之间,成功在两块“硬骨头”间引入一块“软骨”。  在这块“软骨”的保驾护航下,研究人员在实验室实现了高效大面积柔性钙钛矿器件的印刷制备,并验证了其在小功率器件中实际应用的可行性。这种结构设计在确保足够器件功率转换效率的同时,也展现出优异的机械稳定性。  陈义旺介绍,这种导电黏性聚合物最大的特点就是对钙钛矿结晶过程的调控和器件耐弯折结构的优化,通过界面疏水性和界面层本身与钙钛矿墨水的相互作用,调控成膜过程中的成核位点,进而实现大尺寸、高质量钙钛矿薄膜的制备。同时,借助界面层在弯折过程中的应力吸收和释放,优化器件整体的机械稳定性。  如何衡量实际效果?陈义旺表示,以往判断有无效果往往借助肉眼,比如对基于疏水黏性界面层柔性器件耐弯折性能提高的力学解释,通过弯折多次后的形貌表征来说明耐弯折性能的优化。“这种解释角度过于笼统和模糊,只是单纯的看图说话,不具备显著的借鉴意义。”陈义旺说。  他认为,在机械稳定性大幅度优化的背景下,对效果进行合理的解释非常有必要。为此,研究人员翻阅了大量文献,并向相关领域专家请教,最终总结出了一套基于杨氏模量的柔性钙钛矿器件力学失配系数计算体系。该方法结合有限元模拟,更深入地解释和说明了器件机械稳定性提高的根源。  “经历这样的研究过程,我最大的感悟就是科学研究要学会学科交叉。许多自己研究方向的关键科学问题往往能从其他领域的研究结果中获得灵感和帮助,这个过程可能会很枯燥和乏味,但获得的研究成果一般都会很有趣并具备显著的科学意义。”陈义旺说。  志在可穿戴  谈及该研究的创新之处,胡笑添总结了三个词——更大、更高、更耐弯,即实现了钙钛矿器件的大面积印刷制备,刷新了柔性器件的功率转换效率,柔性器件在极限弯折半径下可循环弯折7000次。  值得一提的是,该钙钛矿电池经过7000次极限弯折半径循环处理后,仍能保持85%以上的初始效率。目前,在器件功率转换效率上,研究成果得到了相关认证机构的认证。  “我们的终极目标是实现柔性可穿戴太阳能电池的大面积印刷制备和实际应用。”胡笑添说。  柔性钙钛矿器件究竟如何影响人类生活?陈义旺描绘出一幅应用图景,借助柔性钙钛矿电池,手机、手表等常见的小功率器件,可以实现使用过程中的随时储电功能;同时,基于钙钛矿器件质轻的特点,可以研制与皮肤或衣物贴合的可穿戴移动电源,避免各种移动设备电量不足引起的麻烦和尴尬……  陈义旺表示,与刚性且较为沉重的晶硅太阳电池不同,柔性钙钛矿器件可以在不影响人体正常活动的情况下,给人们的生活带来便利。  研究并未结束。胡笑添表示,研究团队将继续研究和开发新型柔性器件结构,并通过更深入的探索和挖掘,掌握柔性器件的大面积、高效率印刷工艺,制备尺寸更大、效率更高、稳定性更好的柔性钙钛矿器件。同时,考虑到实际使用过程中的皮肤亲和性,也会针对柔性器件的耐拉伸、耐扭转性能进行一些研究和尝试。  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-16831-3  (原载于《中国科学报》2020-07-15第3版能源化工)

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不同阶段TAG合成的碳来源及主要代谢途径的活性变化  面对能源短缺和环境污染两大严峻问题,寻找可再生且对环境友好的新型能源迫在眉睫。微藻能源就被认为是一种极具前景的新能源。  微拟球藻是一种单细胞藻类,广泛分布于海水、淡水和微咸水中。其在缺氮胁迫下能大量合成油脂,这一应激反应是微藻能源的科学基础之一。  近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心与德国鲁尔大学植物生物化学系合作,针对微拟球藻,构筑了缺氮胁迫下蛋白质组动态模型,揭示了该应激过程的三个生理阶段,为油脂代谢工程提供了新的视角。该成果日前发表于《生物燃料技术》(BiotechnologyforBiofuels)。  构筑微拟球藻蛋白质组动态模型  据该成果研究人员、单细胞中心魏力博士介绍,微拟球藻能够在某些环境条件下以甘油三酯(TAG)的形式储存所固定的太阳能与二氧化碳,具有生长迅速、甘油三酯含量高、富含多不饱和脂肪酸(PUFAs)等优点。  此外,微拟球藻还具有减少二氧化碳等温室气体排放的能力,是生物燃料和生物材料的重要来源,在工业烟道气处理和绿色能源方面有着广阔的应用前景。同时,微拟球藻基因组较小且为单倍体,便于进行遗传操作。因此,微拟球藻渐成真核微藻合成生物学研究的模式生物。  工业产油微藻在缺氮胁迫下的油脂积累过程,一直受到学界与工业界的密切关注。近十年来,已有数千篇相关文献发表于国内外专业期刊,且诸多研究已取得进步。  记者了解到,单细胞中心团队已藉由过表达甘油三酯合成酶的方式实现了对微拟球藻油脂组分的定制,过表达RuBisCO提高了生物质积累。韩国科学家藉由过表达转录因子,将微拟球藻的脂质产量提高了30%~50%。美国科学家则通过降低另一种转录因子的表达使脂质产量增加了一倍。  此前,单细胞中心已在转录组和代谢物组的基础上构建了其机制模型,然而,转录组层面和代谢物组层面的实验数据存在重要差异,无法完全用基因表达到代谢调控之间的延迟解释。这是由于从转录到代谢物变化的过程中仍受到蛋白质层面的调控作用。现有的研究通常仅涉及一种调控水平,即单个基因的过表达或敲低。实际上,目前无论是微拟球藻,还是一般的含油微藻,对其蛋白质水平上的代谢网络调控机制都知之甚少。  针对这一问题,单细胞中心游武欣和魏力博士带领的中德联合研究小组,发表了微拟球藻缺氮胁迫下时间系列的蛋白质组数据,结合相对应的转录组与代谢物组数据,应用最新的统计分析方法,较为全面地揭示了细胞在缺氮胁迫下合成甘油三酯的过程特征。  研究人员发现,该过程可以分为三个阶段。第一阶段是缺氮初期。此时细胞感受到了外界环境中氮元素的缺乏,但由于细胞内还有一定量的氮储备,其代谢过程的变化不明显。第二阶段是缺氮中期。这一阶段细胞保存的氮已大致消耗完,需要通过蛋白质降解等方式来回收氨基酸中的氮,以维持细胞关键代谢过程的运转,同时光合作用与脂质代谢等过程也受到了不同程度的影响。第三阶段为缺氮后期。细胞进一步提高蛋白质降解的速率,而三羧酸循环与油脂合成的速率大幅上调,光合作用速率虽有所下降但仍在进行。  这一修正后的模型更加精确地刻画了缺氮产油过程,并进一步证明甘油三酯从头合成对油脂积累起着主导作用,而膜脂回收仅占脂质积累的一小部分。  进一步提高油脂产率  研究团队建立的新模型,不仅为定向调控微藻代谢调控网络以提升油脂产率提供了一系列新的策略与目标,也为微藻产油提高工业化产量奠定了研究基础。  魏力告诉记者,工业产油微藻已受到各国的普遍重视。就产业现状来看,目前,我国台湾地区已试运行与发电厂相结合的微藻减碳处理项目;我国新奥能源控股公司已经在内蒙古建立了一个利用微藻生产生物柴油的商业工厂。而在全球范围内,包括传统能源生产商在内的数家公司都已经建立了试验基地及中等级别的藻类养殖场来生产生物燃料,例如,加利福尼亚州的ExxonMobile、德国的E.ON等。  “而关于微拟球藻的翻译后修饰(PTM)领域研究尚是一片空白,对于微藻的PTM研究也凤毛麟角。”游武欣补充道,“我们正在开拓这一全新的研究领域,以微拟球藻为模式生物,研究真核藻类碳代谢途径上PTM的调节响应机制。这项工作有助于填补目前关于微藻PTM领域研究的空白,也为提高微拟球藻碳固定和油脂转化能力提供了新的研究方向。”  已有的微藻蛋白质修饰的研究通常采用的方法局限于特定残基上修饰的确认和功能的推测。而在已构建的蛋白质组调控模型的基础上,尝试对不同环境条件下蛋白质修饰的动态分析,将环境因子对蛋白质修饰的影响作为影响代谢调节网络的重要因素之一纳入考量,将为微藻PTM研究打开新的视角。  相关论文信息:https://doi.org/10.1186/s13068-020-01748-2.  (原载于《中国科学报》2020-07-01第3版能源化工)

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