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  大碰撞假说认为,月球形成于一个火星大小的行星和原始地球在45亿年前发生的大碰撞。碰撞后的物质飞溅到太空,在月球轨道聚集增生,形成炙热熔融的月球岩浆洋,之后从中分异出月核、月幔和月壳的结构。大碰撞事件深刻地改变了地月系统的行星环境和化学组成,是地月系统经历的最重要行星事件。一般认为,大碰撞时的挥发作用会改变月球的元素和同位素组成,但是对于月球圈层分异、特别是月核形成过程还知之甚少,主要原因是缺乏对元素和同位素地球化学行为的了解。  铜(Cu)和锌(Zn)既是挥发性元素(可以制约碰撞过程中的挥发效应),又是亲铁-亲硫元素(可以制约核幔分异过程),因此可以用来探讨月核分异对于月球化学组成的影响。经过多年努力,中国科大地球和空间科学学院教授黄方团队建立了高精度的Cu-Zn同位素分析方法,在此基础上和英国牛津大学博士JonWade以及爱尔兰UniversityCollegeCork教授KateKiseeva合作,通过高温高压实验岩石学,精确地测定了硅酸盐熔体和金属熔体之间的Cu和Zn同位素平衡分馏系数,制约了月核的成分和形成过程。  研究发现,含硫的金属熔体相对硅酸盐熔体显著富集轻的Cu和Zn同位素,而不含硫的金属熔体和硅酸盐熔体之间的分馏较小。这个结果很好地解释了地球和月球之间金属稳定同位素组成的差别。月、地之间较大的Zn同位素分馏明显反映了挥发过程的影响;虽然Cu的挥发性比K和Ga要弱,但是月、地之间的Cu同位素组成差异要比K和Ga同位素要大。这可能是因为月球的Cu同位素组成不仅受到大碰撞时挥发作用的控制,也会受到月核形成时含硫金属熔体从月球岩浆洋分离的影响;而K和Ga不进入月核,因此不受月核形成的影响。这一工作暗示月核中可能还有一定量的S,这对于理解月球的挥发分组成、月核冷凝以及月球磁场的维持、地月之间晚期加积都有重要意义。  该论文以TheeffectofcoresegregationontheCuandZnisotopecompositionofthesilicateMoon为题,近日发表于国际地球化学刊物GeochemicalPerspectiveLetters上(Geochem.Persp.Let. 12,12–17)。地球和空间科学学院博士毕业生夏莹为第一作者,KateKiseeva为第二作者,黄方和JonWade为共同通讯作者。该工作得到中科院先导专项B以及国家自然科学基金委的资助。利用Cu、Zn同位素研究月球挥发和月核形成过程取得进展

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  寻求同时提高工程结构材料多种机械性能的方法是材料科学家长期努力的方向。材料科学家通过从自然材料中获取灵感,制造出与之相似的材料,这就形成了“向自然学习”的概念。自然界中某些生物的独特结构使其具有良好的机械性能,使得它们能够对抗自然界的各种恶劣环境。其中一种结构为梯度结构,自然界中竹子结构便是典型的梯度结构。竹子的维管束结构其密度是从外部向心部逐渐递减,在维持整体强度和刚度的情况下,其心部具有较好的柔韧性。材料科学家已经成功将梯度结构在多种金属材料中进行复制并对其机械性能进行系统研究。相关研究表明梯度结构金属材料能在一定程度上打破材料“强度和塑性”的倒置关系,获得优异的强塑性。  但是作为工程结构材料,必须进一步显示出可接受的断裂韧性(或抗损伤能力),以避免实际应用中发生灾难性的失效。断裂韧性对大多数材料的安全应用是至关重要的,它通常是强度和塑性的综合指标。但是一般而言:强度和塑性是由材料的整体变形控制的全局机械响应,而断裂韧性是裂纹尖端“局部”微观结构变形的机械响应结果,断裂韧性裂纹尖端参与的变形区域比拉伸整体变形体积小多个数量级。因此,尽管通过构建梯度结构可以实现材料强度和塑性的优异组合,但是否能保证其断裂韧性同样优越,仍是一个亟待解决的关键科学问题。同时,梯度结构材料中微观结构的局部变化可能导致裂纹扩展过程中的裂纹扩展阻力发生变化。因此,揭示梯度结构中微观结构的不均匀性对裂纹的启裂和扩展阻力的影响具有非常重要的意义。  在成功制备块体梯度材料的基础之上,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料动力学研究部构筑材料组研究员李毅和副研究员潘杰与美国加州大学伯克利分校教授RobertO.Ritchie展开合作,评估晶粒尺寸跨度从~30nm到~4μm的梯度结构(GS)Ni的变形和断裂行为。研究发现,1、与脆性的纯纳米晶和韧性的粗晶Ni相比,梯度结构Ni具有高断裂韧性,显示出强度和韧性的最佳组合。梯度材料在拉伸至断裂的过程中消耗的塑性功明显高于纯粗晶和纯纳米晶材料,其来源于在裂纹传播过程中内部渐变的微观结构之间的相互作用。2、梯度材料的断裂韧性和变形行为与梯度方向有关。粗晶到纳米晶梯度方向上的起始断裂韧性(KJIc)比纳米晶到粗晶梯度方向的起始断裂韧性要高。当裂纹沿粗晶向纳米晶梯度方向扩展时,其R曲线(抗裂纹扩展阻力曲线)与纯粗晶Ni类似,显示出强度和韧性的最佳组合。裂纹扩展初期在粗晶区域会发生钝化,表现为韧性断裂。然而,在裂纹扩展后期,在纳米晶区域诱发脆性裂纹,并迅速扩展失效,发生不稳定的脆性断裂。由于裂纹扩展过程是韧性断裂向脆性断裂的转变过程,因此在安全应用上需要慎重考量。另一方面,当裂纹沿纳米晶到粗晶梯度方向扩展时,其也表现出优于纯纳米晶Ni的起始断裂韧性(KJIc)和R曲线,并且裂纹尖端的韧性不断增加。此外,当裂纹的扩展到达粗晶区域时,裂纹尖端发生钝化。这种裂纹尖端韧性不断增加而发生钝化的过程表明,纳米晶到粗晶的梯度方向,是脆性断裂向韧性断裂的转变过程,具有优异安全应用前景。该研究成果为梯度材料的实际应用提供理论基础。  上述研究成果于近期发表在MaterialsToday。文章第一作者为金属所博士研究生曹汝情。共同第一作者为美国劳伦斯伯克利国家实验室博士于秦。相关工作得到国家重点研发计划(资助号2017YFB0702003)和国家自然科学基金项目(资助号:51471165)的资助。  论文链接图1:粗晶,纳米晶,粗晶→纳米晶梯度结构,以及纳米晶→粗晶梯度结构金属Ni的力学性能。(a)拉伸应力-应变曲线;(b)断裂韧性J值和裂纹扩展长度a的关系图;(c)拉伸时抗拉强度vs.塑性应变能;(d)抗拉强度vs.断裂韧性值;(e)抗拉强度vs.a=~1mm时的断裂韧性。图2:粗晶(CG),纳米晶(NG),粗晶→纳米晶梯度结构(CG→NG),以及纳米晶→粗晶梯度结构(NG→CG)金属Ni的裂纹扩展行为。

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  沉积物中的宇宙成因核素10Be记录可以用来有效示踪地磁场和重建太阳活动变化的历史,可以大大突破目前卫星观测所能获得的太阳黑子变化的时间范围,为进一步研究作为地球气候变化的重要外强迫因子的太阳活动变化历史提供科学数据,然而利用低纬地区沉积物10Be记录重建全新世太阳活动变化历史的研究鲜有报道。  近日,中国科学院地球环境研究所研究员周卫健领导的团队,首次对我国华南地区湖光岩玛珥湖沉积物开展了10Be示踪研究。通过对湖光岩玛珥湖全新世时段高分辨率10Be浓度及其他代用指标的综合分析,采用数理统计分析等手段,在统一的年代框架下分段选取同一记录中与10Be浓度相关性更高的气候代用指标进行回归分析,最大限度地去除气候因素对10Be浓度变化的影响,成功分离出大气10Be相对产率变化的信号,以2000年为截止频率对获得的大气10Be产率进行低通滤波和高通滤波处理,分别获得了10Be记录的全新世以来地磁场相对强度和太阳活动的变化历史。新的重建结果可分别与GEOMAGIA50数据以及大气Δ14C等记录所反映的太阳活动代用指标对比良好,频谱分析结果进一步印证10Be重建的太阳活动记录的可靠性,为未来进一步应用湖泊沉积物10Be重建太阳活动和地磁场强度变化历史提供了新的思路与途径。  以上研究结果近日在线发表在国际期刊Geophysicalresearchletters上。该研究得到中科院前沿科学与教育局重点项目、黄土与第四纪地质国家重点实验室自主部署项目、国家自然科学基金、中国地质调查局相关项目的共同资助。  论文链接图1全新世湖光岩玛珥湖10Be浓度及同剖面其他代用指标时间序列的综合对比。水平的蓝条表示与Bond事件相关的冷事件(Bondetal.,1997)。全新世早期气候适宜区间以橙色表示。图210Be产率变化、基于10Be的地磁场强度与地磁偶极子场模型的对比以及基于10Be的太阳活动重建同太阳总辐照度(TSI)、Δ14C(IntCal13)的对比。

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  最近发表在开放获取期刊《认知研究:原则与启示》上的一项研究表明,合成的超真实面具的图像可能会被误认为真实面孔。这项研究还发现,如果面具模仿的是与观察者不同的种族,也会对观察者准确区分面具和真实面孔的能力造成影响。  超真实面多用诸如硅酮这样的柔性材料制成,旨在模仿真实的人脸。过去的研究和刑事调查得到的证据显示,这些面具可以在现实生活中被误认为真实人脸蒙混过关,但效果可能会受肢体语言或观察者注意力集中程度等因素的影响。  为了研究合成面具在照片中被认作真实面孔的可能性,英国约克大学和日本京都大学的研究者邀请了120名参与者(两所大学各60人)查看屏幕上成对出现的图像,其中一个是真实人脸,另一个是面具。参与者被要求指出他们认为哪一个是面具,另外使用一些很容易被认出的低真实感面具作为对照。  伦敦政治经济学院的主要作者JetSanders说:“当参与者辨识每组图片的时间被限制在500毫秒内时,他们辨认高真实感面具的速度比辨认低真实感面具(约需300毫秒)慢。辨识低真实感面具的准确率为98%,但高真实感面具的辨识准确率为66%——即便本身成功的概率就应有50%。这表明一些参与者可能觉得部分面具比真实人脸更具有逼真的人类特征。”  在类似的研究中,限制观察时间是一种标准做法,因为不限时任务可能过于简单。为了评估限时是否为一个限制因素,作者在一个新队列中重复了这个实验,但不限制时间。辨认高真实感面具时,参与者的反应速度(1100毫秒)较慢,每5个参与者中会有1个把面具错认为人脸。提供了这些数据的参与者来自英国和日本两地,以确认是否会因观察者种族产生差异。当参与者被要求辨认不同种族的照片时,反应时间大约会慢400毫秒,准确率也会下降5%。  作者RobJenkins说:“我们跟观察者说得很明确,他们的任务是辨认成对图片中的面具。测试开始前也向他们展示了面具示例。在现实生活中人们认错的概率可能比我们研究中的更高,因为超真实面具非常罕见,很多人甚至不知道有这种东西存在。”  Sanders说:“无法正确辨认出合成面具可能对安全和预防犯罪来说是一个重要提示,因为超真实面具可能会妨碍人们正确辨识某个人的关键特征。这些面具目前每个售价约1000英镑,我们认为随着制造工艺的进步,它们将变得更加便宜,也会应用得更加广泛。”  作者认为,应该通过进一步的研究评估真实面孔和使用部分面具扭曲特定特征在辨识中的难点,以及这种效应是否受种族的影响。

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  近日,中科院昆明植物所孙航等人以横断山地区典型的高山冰缘带植物——呈天空岛分布模式的杨柳科柳属垫状植物小垫柳为研究对象,进行了小垫柳全基因组分析,为横断山高山植物多样性起源提供了证据。相关研究成果近日在线发表于《自然—通讯》。  横断山是全球生物多样性热点地区之一,具有丰富的生物多样性,尤其是高山植物多样性极为显著。横断山生物多样性成因假说之一是横断山的快速隆升造成复杂的地形地貌、多样的生境和剧烈的气候波动,这些因素导致物种种群的隔离和分化,进而促进物种形成。  为验证该假说,昆明植物所研究人员联合云南师范大学、北京大学、法国国家农业研究院、英国圣安德鲁斯大学、北京源宜基因科技有限公司,使用二代、三代以及染色体构象捕获技术,获取了小垫柳一个雌性个体的染色体级别的高质量参考基因组。并以此为参考基因组,对涵盖小垫柳分布区的14个种群的77个个体进行了全基因组重测序,获得约160万个高质量单核苷酸变异位点,并在此基础上进行了小垫柳遗传多样性、遗传结构、演化模式等群体遗传学和演化分析。  结果表明,小垫柳具有显著的种群分化,尽管具有长距离传播的能力,但种群间的基因流微弱。小垫柳自晚中新世以来的群体波动与剧烈的气候波动耦合,多样而异质的生境和气候波动可能是驱动小垫柳种内群体分化的重要因素。小垫柳的扩张基因家族和快速演化基因家族显著地富集到DNA修复和花青素合成等通路,这些通路可能与高海拔地区强烈的紫外辐射导致的DNA损伤的修复相关。  自然选择在小垫柳高、低海拔群体中的作用区域和强度都具有显著的差异,这说明分布于横断山区海拔高差大、生境多样而异质的物种可能在自然选择的作用下发生种下的种群分化。  (原载于《中国科学报》2019-11-22第1版要闻)

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  中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心副研究员张警蕾、研究员田明亮,南方科技大学教授卢海舟,上海师范大学教授王春明组成的研究团队,利用稳态强磁场装置,研究了拓扑材料ZrTe5在强磁场下的反常热电效应,相关研究成果以AnomalousthermoelectriceffectsofZrTe5inandbeyondthequantumlimit为题在美国物理学会期刊《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)上发表。  ZrTe5是一种兼具一维链状和二维层状结构特点的拓扑材料。前期研究结果表明,通过施加压力、应力或改变温度,ZrTe5可在不同的拓扑态之间转换。除了丰富的拓扑态,ZrTe5的量子极限相对较低,只需要较小的磁场就可以使其达到量子临界。近年来ZrTe5在强磁场下所表现出的新奇物理现象也受到学术界广泛关注。  在该项工作中,研究人员对ZrTe5单晶样品在强磁场下的热电效应(塞贝克效应和能斯特效应)进行了深入研究。实验观察到在低温下由狄拉克费米子导致的反常能斯特效应。随着磁场的增强,ZrTe5的塞贝克系数和能斯特效应都表现出明显的量子振荡。当磁场达到5.2特斯拉时,ZrTe5所有电子都占据在最低朗道能级,即系统处于量子极限。前期理论预测表明,进入量子极限后,狄拉克/外尔半金属的热电势将随着磁场的增强呈非饱和的增长,但是ZrTe5的塞贝克系数在5特斯拉以上出现反常的“鼓包”。  为了揭示ZrTe5在量子极限以上反常热电效应的机理,张警蕾通过不断改进测试方案,克服了水冷磁体振动和噪声大等困难,成功在水冷磁体最高33特斯拉强磁场下实现了对单晶样品的热电效应测量。实验发现ZrTe5的塞贝克系数在临界磁场B*为14特斯拉达到最小值,收敛为零,然后随着磁场增加又开始上升(图(a))。与此同时,ZrTe5能斯特信号在该临界磁场附近发生符号的改变(图(b))。理论计算表明,由于ZrTe5体态导带和价带具有能带反转的特性,进入量子极限后,ZrTe5电子和空穴的第零朗道能级会在临界磁场发生交汇(如图(c)所示)。因此,在该临界磁场附近,ZrTe5塞贝克系数出现一个为零的谷值,同时能斯特信号发生符号的转变。通常情况下,作为拓扑非平庸体态的特征,能带反转这一特性很难通过电输运实验直接探测。该项工作表明强磁场下热电效应的测量可作为探测拓扑材料能带反转的直接实验手段。  该研究得到国家自然科学基金、中科院青年促进会、中科院科研仪器设备研制项目、合肥物质科学技术中心创新项目培育基金等的大力支持。  论文链接图:ZrTe5(a)塞贝克系数以及(b)能斯特效应随磁场的变化关系。(c)理论计算ZrTe5朗道能级随磁场的变化关系。右上:水冷磁体热电效应测试装置。

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【中国科学报】小垫柳全基因组分析 为高山植物多样性起源提供证据
强磁场下ZrTe5的反常热电效应研究取得进展