世界一流科技期刊文章精选

先进材料

“水-醚”电解质基水系锂离子电池的稳定电化学界面研究

北京理工大学材料学院陈人杰教授课题组在新型水系锂离子电池电解质方面取得新的研究进展。相关成果发表于A d v a n c e d Materials。传统商业锂电池大多数采用的是有机液体电解质，其在使用过程中存在着泄漏、挥发、氧化分解及热失控等问题。论文提出了一种新型的“ether-in-water”electrolyte（EIWE）水系混合电解质，将电化学稳定窗口扩大到4．2V，并进一步采用红外/拉曼光谱对形成的新的溶剂化结构中组分间的相互作用进行了分析，并结合DFT和AIMD模拟，对成膜机理进行了深入研究。这种独特的电解质结构为在水系电池中建立稳定的界面提供了新的设计思路。

SEI膜的形成机理（图片来源于北京理工大学材料学院网站）

E I W E基水系锂离子电池的结构（图片来源于北京理工大学材料学院网站）

镁合金室温成形性调控研究

重庆科技学院杨青山副教授、西南大学宋波副教授和重庆大学蒋斌教授等人合作，利用孪生变形实现镁合金板材织构的改变，进而提升镁合金板材的室温成形性能。相关论文发表于Journal of Magnesium and Alloys。论文阐述了{10-12}孪生是一种重要的变形机制，可在低应变下大量地引入（＜8%），可诱发晶格发生～86．3°的旋转并形成孪晶织构，有效提高镁合金室温成形性。对于具有基面织构的镁合金板材而言，沿厚度方向的小应变压缩可在基体中引入大量的拉伸孪晶。孪晶的c轴聚集在压缩轴的方向。这种孪生织构可以极大地提升镁合金板材的厚度变形能力，进而提升板材的室温成形性能。

仿生矿化材料研究进展

柔性相变储能材料

中国科学院大连化学物理研究所史全研究团队与吴忠帅研究团队合作，开发了一种柔性相变储能材料膜，并将其与柔性石墨烯膜相结合应用于可穿戴热管理器件。相关论文发表于Energy Storage Materials。该相变材料膜具备表观的固—固相变特性，相变焓和相变温度在一定范围内可调，冷热循环1000次后仍然表现出稳定的相变性能。此外，该相变材料膜表现出优异的本征柔韧性，可折叠或裁剪成任何形状，可制备大尺寸膜，为大规模制备柔性相变材料膜提供了可能。该相变材料膜与吴忠帅团队开发的柔性石墨烯膜集成得到柔性热管理器件，可在不同温度、光照及电加热情况下表现出优异的温度控制、光热转化及电热转化性能。

非角度依赖光子材料研究进展

天津大学材料学院宋东坡教授与剑桥大学同行合作，基于两亲性刷形嵌段共聚物发展了一种易于规模化的单步制备策略，合成具有短程有序且各向同性结构的多孔微球。相关成果发表于Advanced Materials。他们利用剪切力控制光学结构生长的有效方法，制备了具有结构色的多孔微球（光子颜料）。该光子颜料无需折射率匹配或者宽谱吸收剂就可以显著削弱虹彩现象（从而拓宽可视角度）并提高色彩纯度，其中的刷形嵌段共聚物P（PSNB）-b-P（PEO-NB）作为“表面活性剂”被溶于甲苯中，并在水中进行乳化，形成的微球的结构色现象来源于微球内部短程有序结构的相干散射，因此能够在微球的整个横截面观察到反射颜色。

刷形嵌段共聚物的结构表征（图片来源于天津大学材料科学与工程学院网站）

刷形嵌段共聚物的结构色性能表征（图片来源于天津大学材料科学与工程学院网站）

多晶材料内耗峰值的尺寸效应研究

中国科学院力学研究所段闯闯等人从微观变形机理出发，就晶界中的粘弹性蠕变与扩散耦合，发展了用于描述晶界中粘弹塑性变形的数值方法来研究多晶体中晶界弛豫引起的内耗。相关论文发表于Acta Materialia。通过建立三维多晶模型，计算了其损耗模量频率谱，发现除了晶界切向应力的弛豫会导致损耗谱上产生耗散峰（“葛式峰”）外，晶界法向应力的弛豫也会引起耗散峰的出现。这一双峰弛豫临界频率与晶粒尺寸d具有不同的幂律关系，其中低频峰临界频率正比于d-3，高频峰临界频率正比于d-1，同时研究了两个耗散峰存在的条件，发现高频的“葛式峰”由晶界的粘滞性滑移引起，低频峰由晶界的法向弛豫导致。

污水处理新材料

浙江农林大学教授陈亮团队通过实验和理论结合，利用改进电子束辐照还原方法，实现了在氧化石墨烯中对环氧基团的精确去除，同时保留了大量羟基。相关论文发表于Carbon。通过改进电子束辐照的实验方法，形成以氢自由基为主的辐照环境，成功实现了环氧基团的选择性还原。制备得到的还原氧化石墨烯，在含氧量显著下降的同时具有极好的亲水性。制备的石墨烯膜在截留有机污染物和重金属废液时，展示出超高渗透性能和截留稳定性能。在对污水中甲基蓝、副品红、罗丹明B等常见的有机染料和铁离子、铅离子、铜离子等过渡金属离子进行有效截留的同时，还保持了超高水通量。

用于靶向治疗小鼠炎症性肠病口服纳米酶

南京大学现代工程与应用科学学院魏辉教授等人与合作者研制备了一种具备活性氧（ROS）有效清除活性、消化道高稳定性和结肠炎症部位靶向能力的口服氧化铈（CeO2）纳米酶与天然负电性的蒙脱土（MMT）纳米酶药物CeO2@MMT。相关论文发表于Advanced Functional Materials。炎症性肠病（IBD）是一种难以治愈的慢性疾病。常见的临床疗法是利用小分子药物、抗生素或抗体进行治疗，但由于治疗缺乏特异性，长期使用可能造成免疫反应、抗生素耐药性、多并发症等问题。这种新型的纳米酶药物设计方法弥补了CeO2和MMT各自的缺陷，将两者的性能优势最大化结合，产物呈现出了显著的小鼠结肠炎模型改善能力。

植物科学

榕树气生根发育、性别决定和榕-蜂协同多样化的分子机制

中国科学院西双版纳热带植物园陈进课题组与福建农林大学明瑞光课题组等研究团队合作，发布了榕树和榕小蜂精细基因组图谱，并在分子机制上揭示了榕树气生根发育、性别决定和榕树-榕小蜂协同多样化等多项研究进展。相关成果发表于Cell。榕属植物是热带雨林的关键类群，具有极高的物种多样性、生活型多样性。榕属植物和与传粉榕小蜂有高度的专性共生关系。该项研究揭示了绞杀榕气生根形成的分子机制，发现对叶榕的性染色体和性别决定基因并确定榕树性别系统进化方向，揭示榕树－榕小蜂协同进化的基因组学证据，构建了2种榕树和1种榕小蜂的高质量基因组精细图谱。

西双版纳植物园内高山榕气生根形成的“独树成林”景观（图片来源于中国科学院西双版纳热带植物园网站）

小叶榕（F. microcarpa）和对叶榕（F.hispida）的基因组特征。（A）染色体核型；（B）S D s；（C）基因密度；（D）LTR TEs;（E）DNA TEs;（F）R N A测序的基因表达；（G）两基因组的共线性（图片来源于中国科学院西双版纳热带植物园网站）

大豆茸毛密度的遗传网络调控研究进展

中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜研究组挖掘到调控大豆茸毛密度的3个关键基因：多毛控制基因Pd1、少毛控制基因Ps和无毛控制基因P1。相关论文发表于Molecular Plant。大豆驯化起源于中国，随后广泛传播于世界各地，是世界性的重要粮食经济作物。Pd1、Ps与P1三者之间存在相互调控关系：Pd1通过结合启动子促进P1和Ps的表达并且抑制Pd1自身的表达。同时，Pd1与Ps也存在分子互作，它们形成蛋白复合体共同调控下游相关基因的表达。并且Ps能够抑制Pd1的转录活性从而使大豆茸毛密度维持在一个平衡的状态。此外，赤霉素（GA）和细胞分裂素（CK）信号通路能够上调转录因子编码基因Pd1的表达。

湖泊沉水植被对沉积物氮循环细菌群落的影响

中国科学院武汉植物园邢伟研究员等人针对洪湖西南、东北湖区不同沉水植被情势，调查沉积物氮循环细菌如硝化、反硝化、厌氧氨氧化（anammox）和硝酸盐异化还原成铵（DNRA）细菌群落组成、多样性和丰度对不同沉水植被物种丰富度和生物量的响应结果，以及相关环境因子如水质和沉积物性质的响应趋势。相关论文发表于Science of the Total Environment。研究沉水植被对沉积物氮细菌群落的影响结果及作用途径，对揭示植物-微生物相互关系具有重要的指导意义，能够为湖泊生态系统管理与保护提供重要的理论依据。总体来说，浅水湖泊中沉水植被生长越好，沉积物脱氮效率就越高。

艺术技巧是表现，文化底蕴则是作品的灵魂，综观中华艺术之长河，大浪淘沙留有美名的艺术家大都是大文豪，如苏东坡、文征明等等。

植物新种互叶莸

中国科学院华南植物园陈又生、昆明植物研究所向春雷等人合作，发现植物新种互叶莸，为我国唇形科植物添独特新成员。相关论文发表于Phytotaxa。互叶莸是我国唇形科第二种具有互生叶的种类，非常独特，目前仅在我国广东潮州发现有分布。互叶莸不仅形态独特，其生长环境和花期也很特殊。互叶莸生长在土壤贫瘠的河岸岩石坡，雨季很可能被河水淹没，开花时间为比较干燥的冬季。冬季时节的植物科学考察相对比较少，导致这个物种长期没有被人发现。该种目前仅发现2个种群，成熟个体数少于250株。依据国际自然保护联盟（IUCN）的评估等级和标准，可以列入濒危（EN）的等级，属于比较典型的极小种群植物。

温带竹类辐射演化和网状进化历史

中国科学院昆明植物研究所李德铢和郭振华研究团队揭示了青篱竹族复杂的演化历史。相关成果发表于Systematic Biology。作为竹亚科三个族之一的青篱竹族，即温带竹类，是一个自然的单系分支。论文通过计算机模拟的方法评估了使用ddRAD-seq数据探讨多倍化和快速辐射类群系统发育的可行性，优化了数据组装的聚类阈值和直系同源序列鉴定的分析流程。并选取了32属200种213个个体构建了温带竹类的系统发育框架。分子钟时间估算和多样化分析结果显示温带竹类的干群发生于晚始新世至早渐新世，冠群于早中新世（18．73或20．96百万年前）开始分化，内部各主要支系在3．45百万年内快速分化完成。

基于ddRAD数据构建的温带竹类系统发育树，分支颜色表示地下茎的性状转变推导结果（图片来源于中国科学院昆明植物研究所网站）

三种不同ddRAD数据组装策略获得的温带竹类5大分支系统发育关系图（图片来源于中国科学院昆明植物研究所网站）

抑制植物免疫新机制

中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心Alberto Macho研究组发现了青枯菌致病新机制，探索了通过遗传改良作物抗病反应的潜力。相关论文发表于PLoS Pathogens。青枯菌效应子蛋白RipAC不但能与植物ETI免疫反应的重要调控蛋白SGT1相互作用，而且SGT1被MAPK3/6激酶磷酸化后，能促进NLR介导的ETI免疫反应增强，并可持续激活MAPK3/6，使其形成一个持续且强劲的免疫信号转导回路，保障ETI免疫反应。而RipAC抑制MAPK3/6与SGT1互作，最终使植物发病。SGT1具有通过遗传改良作物抗病反应的潜力。

氮富集影响温带草原物种多样性

中国科学院植物研究所张文浩研究组解析了典型草原不同物种和功能群对氮富集的响应。相关论文发表于Journal of Ecology。研究大气氮沉降对草地生态系统的影响及作用机理，对于揭示和预测全球变化背景下草地生态系统的响应特征及草地生态系统的科学管理和可持续利用具有重要意义。与禾草相比，杂类草根系在氮富集条件下具有较强的酸化能力、较强的磷酸酶和有机酸分泌能力，导致杂类草具有较高的磷获取潜力，进而导致叶片的总氮磷比对氮富集的响应显著低于禾草叶片的总氮磷比。此发现对传统的“养分限制”假说和“化学计量”学术假说提出了挑战，为揭示草原不同功能群植物对氮富集的响应提供了新思路。

无标记质谱采集模式技术研究进展

南京林业大学生物与环境学院朱福远教授团队将SWATH-MS应用到植物科学研究，在植物功能蛋白质组学领域取得重要进展。相关成果发表于Trends in Plant Science。论文详细阐述了SWATH-MS的基本原理与实验流程，并提出了若干提高该技术在植物领域应用效率的具体办法，将该技术拓宽到多维度热点应用场景中，如高通量筛选植物互作蛋白与修饰蛋白、可变剪接转录本的蛋白层面鉴定、无参考基因组植物的蛋白组分析、植物蛋白修饰组学、植物样品大队列分析等。文章进一步展望了该技术的优势与挑战，对于推动该项技术在组学领域科研服务市场的普及与推广，具有广阔的市场应用前景。

神经科学与人工智能

结构化神经信息解码技术重建自然及人脸图像

中国科学院自动化研究所类脑智能研究中心神经计算与脑机交互团队何晖光等人提出一种结构化神经解码模型，实现了根据脑活动模式进行自然图像、人脸等复杂视觉刺激的高质量重建。相关成果发表于IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems。论文通过多任务特征解码的方式揭示了多个典型计算机视觉模型（如VGG、ResNet）与人脑腹侧视觉通路在层次化特征表达方面的联系。通过高效结构化地利用这种层次化特征与人脑视觉皮层信号表达之间的关系，根据采集到的少量人脑fMRI数据清晰重建出被试所感知到的复杂自然图像和人脸刺激内容。

论文提出的多任务结构化视觉神经信息编解码框架，包含Voxel2Unit和Unit2Pixel两个阶段（图片来源于中国科学院自动化研究所网站）

深度学习解决功能磁共振缺损信号修复难题

郑州大学人民医院王梅云团队与清华大学医学院洪波团队、航天航空学院李路明团队、哈佛大学医学院Martinos影像中心刘河生团队合作，采用深度学习方法重建个体大脑缺损的血氧水平依赖信号。相关论文发表于Nature Communications。新方法不仅可以修补大脑皮层网络的连接图谱，还可以实现信号缺损脑区功能磁共振激活时间序列的单帧重建，实现了对大脑激活磁共振信号在时间和空间上的完整重建。该方法在信号序列波动一致性、功能网络连接图谱相似性、个体大脑功能网络特异性等方面，都达到了良好的性能指标。植入磁共振兼容脑起搏器的帕金森患者，脑功能图像通过该方法实现了准确修复。

机器学习驾驶行为数据识别大五人格

中国科学院心理研究所行为科学重点实验室朱廷劭研究组与宝马中国合作，使用数据记录仪采集了5种传输至控制器局域网络的车载传感器数据，利用驾驶行为数据结合机器学习，实现对大五人格特质的自动识别，具有更高的生态效度，而且侵入性更小。相关论文发表于Journal of Advanced Transportation。该研究通过训练机器学习模型，并采用了10折交叉验证。结果显示，对于大五人格的五个维度，预测模型对各个维度的预测得分与自我报告得分之间的相关性可以达到中等到强相关水平（0．56～0．88）。论文提供了一种新的测量驾驶员人格特质的方法，结果表明驾驶模式可以很好地表征大五人格特质。

基于余数相机的高动态范围成像技术

北京大学人工智能研究院施柏鑫研究团队采用深度学习的方法对余数图像进行恢复进而获取高动态范围图像。相关论文发表于NeurIPS 2020。该方法将恢复算法设计为一个双模块的神经网络，把余数图像到高动态范围图像的恢复过程当作一个迭代的二元标记问题来处理。其中，恢复算法将所预测的二元标记模板的值是否为零作为依据，来判断是否输出具有高动态范围的恢复结果。研究发现，余数图像的特殊边缘能为迭代恢复过程提供更详细的语义信息，可以更好地缓解非余数区域的误解情况，呈现对比度和色彩表现更佳的恢复结果。该方法有望为单帧八比特高动态范围成像提供原理和性能上达到全新高度的解决方案。

新发帕金森中序列工作记忆损伤的神经基础

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室叶铮研究组与北京大学第三医院张英爽团队和北京大学心理与认知科学学院周晓林研究组合作，完成丘脑底核在新发帕金森病序列工作记忆中的作用研究。相关成果发表于Movement Disorders。该研究利用功能磁共振成像、认知心理检测和神经心理评估等技术，揭示了丘脑底核在序列工作记忆中的调节作用，以及丘脑底核的异常激活与帕金森病序列工作记忆损伤的关系，提示下调丘脑底核的激活和上调丘脑底核与纹状体之间的功能连接可能是改善帕金森病患者序列工作记忆的潜在策略。

（A）数字序背任务。（B）新发帕金森病中丘脑底核的过度激活。（C）新发帕金森病中丘脑底核与纹状体等的功能连接减弱。（D）新发帕金森病中丘脑底核的调节作用减弱（图片来源于中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）网站）

模式分析与人工智能领域研究进展

南京大学工程管理学院李华雄、陈春林、周献中等和山西大学计算机与信息技术学院钱宇华合作开展模式分析与人工智能相关研究。相关论文发表于IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence。机器学习与数据挖掘是人工智能研究的核心领域之一。该研究从噪声信息的低秩与稀疏结构精准刻画角度开展研究，通过引入非凸函数建立混合范数以提升传统L1与核范数度量性能，更为精准地描述噪声信息的低秩与稀疏结构。同时结合距离先验信息，构建具有判别性的监督回归系数正则项，采用交替方向乘子法（ADMM）设计优化模型的快速求解算法。该方法在鲁棒人脸识别等任务中，获得了同等实验条件下多种经典方法对比的最优性能。

人工智能及互联网医院在疫情防控中的落地应用研究

中山眼科中心林浩添教授和林晓峰教授团队通过对2020年2月1日到3月13日的逾三万线上问诊和近两万线下问诊进行大数据分析，并与2019年同期比较，发现线上医院在慢病管理、术后复诊、在线开设处方、缓解患者不适导致的焦虑情绪等场景，有较大的应用价值。相关论文发表于Ophthalmology。分析发现，不同年龄层有明显的需求区别：青年线上问诊主要以眼部不适症状咨询为主（18～34岁，60．4%），中老年人则以续签处方药为主（＞55岁，63．5%）。线上咨询病种分析发现，2020年线上问诊量以眼表疾病居首，区别于2020年的线下问诊（视网膜病变）和2019年的线下问诊（屈光异常）。

揭示知觉训练干预计算障碍及其认知机制

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室周新林教授研究团队开展了关于发展性计算障碍的知觉训练干预的研究。相关成果发表于Developmental Science。当儿童经常观察物体的不同数量时，虽然这个过程看起来没有任何数字的参与，但其实对于数字计算是非常有益的。适当地让孩子参与一些数量估计相关的益智游戏或训练（如小猪收苹果游戏）可能是一项有效的训练方案，有助于培养儿童的数学能力。研究结果提示，形状知觉能力在数学学习中起着重要的调节作用，在DD儿童的数学教育教学中，需要更加重视学生基本认知能力的发展，重视符号视觉形状加工的作用，提高DD儿童对数学符号的形状表征与加工能力。