科教大事

科教大事

Nature

一项持续了65年的研究

1946年，科学家开始对英格兰、威尔士和苏格兰在3月某一个星期生孩子的所有母亲进行一项研究，其目的是了解生育的社会和经济成本。近65年之后，这项研究仍在进行。1946年出生的孩子一直被跟踪到成年，主要目的是研究儿童时代的健康及一生的社会境况怎样影响成年后的健康。这个星期，当时的这组小孩庆祝他们65岁生日，这是很多英国人退休的年龄。所以现在，这项名为“全国健康与发育调查”的研究已成为一项关于衰老的研究。HelenPearson对1946年的这批人做了采访，谈到他们因参加这项研究而在科学上获得了永生，并且对怎样利用所积累的数据进行了分析。

神经元之间的连接与单细胞功能的联系

由神经回路进行的功能计算的基础是它们的连接，但要将神经元之间的复杂结构连接与各个细胞的功能联系起来却非常困难。现在，两个小组将功能成像与在前所未有规模上进行的三维序列电子显微图像重建相结合，发表了小鼠视觉系统中单个细胞之间连接情况的详细表述。“初级视皮层”中连接情况的研究发现抑制性神经元从具有各种不同功能的兴奋性细胞接收输入（见本期封面图片），这与根据对小鼠皮层最近进行的生理研究所做预测是一致的。研究了方向敏感性视网膜神经节的选择性是怎样从它们与“无长突细胞”的连接中的非对称性形成的。

原核细胞蛋白酶体调节亚基MecA-ClpC异六聚体结构与功能

ATP依赖蛋白酶的可调控蛋白质水解广泛存在于大多数生命体中。细菌ClpC是Clp/Hsp100家族的重要成员，与该家族其它成员不同的是，ClpC的六聚体形成及其进一步的激活需要接头蛋白MecA的参与。利用ATP水解的能量，激活后的六聚体MecA-ClpC分子能够去折叠特异性蛋白质底物，并将生成的去折叠多肽链转运到ClpP中降解。但是，MecA如何介导ClpC形成六聚体并激活ClpC的分子机制一直都没有明确的解释。清华大学生命科学学院施一公教授领导的课题组首次解析了枯草芽孢杆菌内蛋白酶体调节亚基MecA-ClpC复合物的三个相关晶体结构，揭示了六聚体MecA-ClpC复合物的组装方式，阐明了MecA介导ClpC激活的分子机理，并提供了MecA-ClpC执行功能的结构基础。这些发现对揭密其它Clp/Hsp100分子机器的组装方式也有很好的借鉴作用，并且为研究真核生物内更为复杂的泛素－蛋白酶体系统提供了方法论和实验基础。

黑色素瘤中的癌基因BRAF和SETDB1

携带黑色素瘤病人最常见突变基因（癌基因BRAF(V600E)）的转基因斑马鱼提供了一个研究黑色素瘤的简便模型。本期刊登了LeonardZon及其同事的两篇关于该模型在癌基因和药物研发的应用前景。Ceol等人筛选了与突变BRAF基因协作的基因，在人类黑色素瘤中频繁扩增额度区域发现了具有加速黑色素瘤形成能力的SETDB1基因。该基因产物是一种在黑色素瘤中常过表达的组氨酸甲基化酶。因此，SETDB1是重要的致癌基因。White等人在神经嵴细胞分化被中止的黑色素瘤易感型斑马鱼胚胎中发现了一个基因标签的表达。化学筛选发现一种用于治疗类风湿关节炎的药物来氟米特（leflunomide）是一种神经嵴干细胞的抑制因子。来氟米特具有抗黑色素瘤的能力，并可能成为一种抗癌药，尤其可能成为与BRAF抑制子联合使用的抗癌药。本期封面：黑色素细胞表达了SETDB1和BRAF-V600E基因的斑马鱼。

Science

动力蛋白马达结构域的晶体结构

本期封面艺术呈现了沿微管移动的动力马达蛋白，该图基于Carter报道的动力蛋白马达结构域的晶体结构。Carter的研究揭示了驱动纤毛摆动和胞内运输的分子机器的结构，初步解释了三磷酸腺苷水解能量转换为运动的机制。

统计阿富汗的死亡人数

北大西洋公约组织领导的阿富汗军事联盟公布了平民伤亡的内部数据。本期封面是这些数据的可视化，在2009年1月（底部，接近地图）至2010年12月（顶部）期间，阿富汗的月死亡人数不断上升。在这段时间内，2537名平民被杀死（大点），5594名平民受伤（小点），以颜色编码区分被武器和犯罪行为的平民。图片由GeorgeMichaelBrower根据JohnBohannon的理念创作。

CN自由基H原子抽提的振动量子态特异反应动力学

溶剂碰撞常掩盖了化学反应产物能量的初生态。利用瞬间红外吸收光谱提供皮秒时间解析度的二氯甲烷溶剂中CN自由基与环己烷反应的图谱。初生态产物HCN呈现出一个量子的C-H伸展及大到两个量子弯曲。时间尺度在100至300皮秒间，HCN产物通过与溶剂结合而经历了从松弛态至振动基态。本期封面是二氯甲烷溶剂（背景）中CN自由基与环己烷（分别以绿-蓝和绿-黑球棒结构表示）。图片：英国布里斯托大学化学学院DavidR. Glowacki提供。

揭示纳米晶铜中超凡本征拉伸塑性

纳米金属材料（即晶粒尺寸在纳米尺度的多晶金属）是一种典型的高强材料，其强度比普通金属高一个量级，但其几乎没有拉伸塑性。如何提高纳米金属的塑性和韧性成为近年来国际材料领域中的一项重大科学难题。最近，中科院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室卢柯研究组在这一科学难题研究方面取得重要突破。他们发现，梯度纳米（GNG）金属铜既具有极高的屈服强度又具有很高的拉伸塑性变形能力。这种兼备高强度和高拉伸塑性的优异综合性能为发展高性能工程结构材料开辟了一条全新的道路。梯度纳米结构是指晶粒尺寸在空间上呈梯度分布。这种梯度纳米结构的厚度可达数百微米。梯度纳米结构层具有很高的拉伸屈服强度，最外表层50nm厚梯度纳米结构的屈服强度高达660MPa（是粗晶铜的10倍），室温拉伸实验表明，具有梯度纳米结构的表层在拉伸真应变高达100%时仍保持完整未出现裂纹，表明其拉伸塑性变形能力优于粗晶铜。这种优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构独特的变形机制，微观结构研究表明，梯度纳米结构在拉伸过程中其主导变形机制为机械驱动的晶界迁移，从而导致伴随的晶粒长大。这种变形机制与位错运动、孪生、晶界滑移或蠕变等传统的材料变形机制截然不同。

声整流器

程建春 教授 南京大学物理学院声学研究所

声音信号探测可以应用于医疗诊断等众多领域。然而，虽然电流和热通量等其他能量形式的整流器已被证明，但是声整流器却至今仍未被实现。基于“声二极管”较早期理论主张，我们首次实验证明了声波的整流能量通量。通过超声造影剂微泡与超晶格组合制造出一维声整流器。在双频波段显著地观测到与理论预测很好吻合的整流效应。在微泡悬浮的最佳浓度下，整流率可高达近1万倍。声整流器的实现具有相当的实际意义，如在医疗应用领域的超声聚焦。

——摘自《NATURE MATERIALS》

飞秒激光直接琢刻实现可设计的3D纳米制造

孙洪波 教授 吉林大学电子科学与工程学院

我们建立起飞秒激光直接琢刻（FemtosecondLaserDirectWriting, FsLDW）作为分子打印机，用以实现科学和工业领域过去不可能完成的操作，因其独一无二的三维处理能力、可设计任意形状、纳米级的高制造精度、远超光衍射限制。我们简要评述了实现超高空间解析和平滑度的深层机制，并进一步讨论了目前正在开发的FsLDW的规则和光化学策略。最后，我们介绍了微电子、微机械、微光学和微流体领域具体的纳米成型方法的应用。

——摘自《NANO TODAY》

铜催化的N-和O-芳基化反应的配体依赖性选择替代机制的解释

傅尧 教授 中国科学技术大学化学系

带有邻菲罗啉配体铜-碘复合物催化的胺醇与碘苯的乌尔曼型反应中依赖配体的选择性机制被单电子转移和碘原子转移机制。我们研究表明选择性、氧化加成/还原消去机制也可以解释选择性。计算表明带有邻菲罗啉配体铜-碘复合物是电中性的，在胺醇溶液中芳苯基倾向于氧化加成到铜-碘复合物上。因此，胺醇协同仅发生在三价铜阶段，氮协同优先于氧协同，协同步骤是速度限制阶段。另一方面，铜-碘复合物带正电荷，芳苯基的氧化加成到带有邻菲罗啉配体的铜-碘复合物必须得到去质子化的胺醇底物的协助。这种情况下，氧化加成成为限速步骤。氧化加成的中间产物经历了轻微的还原消除。由于在氧化加成的过渡态去质子化的胺醇的氧协同优先氮协同，因此O-芳苯基更倾向于与邻菲罗啉配体反应。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

碳和氮化硼纳米管的近自由电子超原子态

杨金龙 教授

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室

依赖第一性原理（First-principlesTheory）我们研究了碳和氮化硼纳米管的近自由电子（NearlyFreeElectron，NFE）态以及著名的pi*带，研究发现了一系列轴上空间分布相似的一维NFE带，其上原子轨道在水平面上重组。这些带是最近发现的富勒烯的超原子及先前表到的低能NFE态的一维对应体。我们发现这些类纳米管态的原子源于多体扫描。我们利用短程交换关联结合长程库仑作用的模型势重建了密度方程理论计算得到的NFE状态的能量和径向波方程。当纳米管半径超过NFE态的径向幅度，NFE态能量汇集了母代2D分子片层的像势态的能量。为探究纳米管构件NFE特性在分子电子学领域的可能应用，我们研究了横向电场、碱金属封装及横向和同心管二聚体的NFE态修改。

——摘自《NANO LETTERS》

对映体选择性铜催化的分子内O-H键插入：一种合成手性2-羧基环醚的有效方法

周其林 教授 南开大学化学学院

我们通过手性二恶唑啉配体实现了铜催化的手性分子内O-H键插入omega-羟基-alpha-重氮甲酸酯。高度对映体选择性分子内O-H键插入提供了一种不同大小和取代基的手性2-羧基环醚合成的有效方法。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

石墨稀上用于汞探测的自组装十八硫醇单片层

方英 研究员 国家纳米科学中心

我们研究了十八硫醇表面修饰石墨稀及其作为重金属传感器的应用。在忽略石墨稀表面由于底层非晶质二氧化硅介质基座产生的粗糙的情况下，烷醇分子可以在单层石墨稀表面自组装成大尺度的高度有序的单片层。原子解析度的扫描隧道显微镜拍摄的二氧化硅基座上的修饰石墨稀片层图像展示了自主装结构的详细特征。含有十八硫醇石墨稀的场效应晶体管可以成功用于10ppm级探测二价汞。

——摘自《NANO LETTERS》

超疏水棉布的洗涤耐久性

李景烨 研究员 中国科学院上海应用物理研究所

利用同步辐射诱导接枝聚合技术将商品化的含氟丙烯酸酯附在棉布上，我们制成了超疏水的棉布。超疏水的棉布表现出很好的洗涤耐久性，即使反复快速洗涤50次（相当于250次商业洗涤或家庭洗涤）仍能保持很好的超疏水特性。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

顶发射有机发光二极管的最新进展

黄维 教授 南京邮电大学

近年来，有机发光二极管（OrganicLight-emittindiodes，OLEDs）因其独一无二的特性和在平板显示领域的应用前景而得到了快速发展。顶发射OLEDs最显著的优势在于可以支持开发高解析度和大孔径比的大型显示屏和微显示。在简短地介绍了顶发射OLEDs的结构和类型之后，我们详细地描述了顶发射OLEDs典型使用的微腔理论。然后，概述并讨论了制造单色（红、绿和蓝）和白色顶发射OLEDs的方法。最后，简要阐述了基于顶发射OLEDs的显示技术的未来发展。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

基于纳米丝的生物燃料电池为自供电纳米设备提供电力

朱静 科学院院士 清华大学材料科学与工程系

我们报道了一种基于单个质子导电聚合物纳米线的纳米丝基生物燃料电池，可利用葡萄糖氧化酶和乳糖酶作为催化剂将葡萄糖/血液等生物流体的化学能转化为电流。葡萄糖从生物流体中补充，纳米丝作为质子导体，整个电池仅为纳米或微米大小。由纳米丝组成的生物燃料电池可产生0.5-3muW的输出电力，可组装一组电池为纳米级传感器提供电力。我们展示了建造用于生物科学、环境控制和国防以及个人电子设备的自供电纳米设备的可行性。

——摘自《ADVANCED MATERIALS》

镧系金属框架取代的MCM-22沸石：合成与特性

王军 教授 南京工业大学化学化工学院

通过在中/弱酸性基质中共水解和缩合酸乙酯和镧系金属盐类，然后切换到合成凝胶水热晶化的基本条件，将铈（Ce）和镧（La）整合入MCM-22沸石框架中。在正庚烷加氢异构反应中Ce（La）-MCM22作为催化载体表现出明显地促进效应。我们互补表征、催化剂测试、浸渍比较和离子交换配对等方法证明镧系碱金框架取代。新合成策略勾画出未来生产其它型杂原子分子筛的蓝图。

——摘自《J. AM. CHEM. SOC.》

硅纳米管热导率显著下降

张刚 研究员 北京大学信息科学技术学院

我们通过在硅纳米丝中部加入一个小洞来降低纳米丝的热导率，如构建一个纳米管。我们计算结果表明一个很小的洞（仅减少了1%的横截面积）可产生35%热导率下降。在室温条件下，相同横截面积的纳米管的热导率仅为纳米丝的33%。振动能量空间分布揭示定域模流主要集中在纳米管内外表面。提高硅纳米管表面积/体积比降低了决定热导率降低的非定域模流的百分比。我们研究显示，硅纳米管是一种理想的低热导率的热电材料。

——摘自《NANO LETTERS》

单纳米丝电化学设备

麦立强 教授 武汉理工大学

我们提出了一种新颖的单纳米丝电极设备用于原位探测锂离子电池设备电容衰减的内在原因。该设备以单钒氧化物纳米丝或单Si/a-Si核/壳纳米丝为电极，原位记录充放电期间单纳米丝的电子转移，以探测纳米丝的演化。我们的研究工作为单纳米丝电极的电子转移和结构与电化学特性提供了直接的联系，该方法将有望成为纳米电池诊断的前沿策略。

——摘自《NANO LETTERS》