晶体是计算机、通讯、航空、激光技术等领域的关键材料。传统制备大尺寸晶体的方法，通常是在晶体小颗粒表面“自下而上”层层堆砌原子，好像“盖房子”，从地基逐层“砌砖”，最终搭建成“屋”。对此，北京大学科研团队在国际上首创出一种全新的晶体制备方法，让材料如“顶着上方结构往上走”的“顶竹笋”一般生长，可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布，极大提高了晶体结构的可控性。
在前期揭示嫦娥五号月壤中多种类型玻璃物质的基础上，物理所非晶团队进一步对月壤中一系列玻璃样品进行了微观结构表征与分析，以期破解其所记录的太空风化信息。近日，研究团队有了新的突破。
基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第九十九期。
1《Science》丨从“盖房子”到“顶竹笋”：我国科学家首创晶体制备新方法
晶体是计算机、通讯、航空、激光技术等领域的关键材料。传统制备大尺寸晶体的方法，通常是在晶体小颗粒表面“自下而上”层层堆砌原子，好像“盖房子”，从地基逐层“砌砖”，最终搭建成“屋”。
北京大学科研团队在国际上首创出一种全新的晶体制备方法，让材料如“顶着上方结构往上走”的“顶竹笋”一般生长，可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布，极大提高了晶体结构的可控性。这种“长材料”的新方法有望提升芯片的集成度和算力，为新一代电子和光子集成电路提供新的材料。这一突破性成果于7月5日在线发表于《科学》杂志。
图为用“晶格传质-界面生长”新方法制备晶圆级二维晶体（受访者供图）
北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉教授介绍，传统晶体制备方法的局限性在于，原子的种类、排布方式等需严格筛选才能堆积结合，形成晶体。随着原子数目不断增加，原子排列逐渐不受控，杂质及缺陷累积，影响晶体的纯度质量。为此，急需开发新的制备方法，以更精确控制原子排列，更精细调控晶体生长过程。
为此，刘开辉及其合作者原创提出名为“晶格传质-界面生长”的晶体制备新范式：先将原子在“地基”，即厘米级的金属表面排布形成第一层晶体，新加入的原子再进入金属与第一层晶体间，顶着上方已形成晶体层生长，不断形成新的晶体层。
实验证明，这种“长材料”的独特方法可使晶体层架构速度达到每分钟50层，层数最高达1.5万层，且每层的原子排布完全平行、精确可控，有效避免了缺陷积累，提高了结构可控性。利用此新方法，团队现已制备出硫化钼、硒化钼、硫化钨等7种高质量的二维晶体，这些晶体的单层厚度仅为0.7纳米，而目前使用的硅材料多为5到10纳米。
图为基于二维晶体的电子和光子集成电路（受访者供图）
“将这些二维晶体用作集成电路中晶体管的材料时，可显著提高芯片集成度。在指甲盖大小的芯片上，晶体管密度可得到大幅提升，从而实现更强大的计算能力。”刘开辉说，此外，这类晶体还可用于红外波段变频控制，有望推动超薄光学芯片的应用。
2《Nature Astronomy》丨月球玻璃解密月球“颜色”变化奥秘
（微）陨石撞击和太阳风辐照对月球表面的风化作用及相应月球玻璃珠和纳米金属铁的形成与演化
在前期揭示嫦娥五号月壤中多种类型玻璃物质的基础上，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心汪卫华院士团队，联合中国空间技术研究院杨孟飞院士团队、南京大学邹志刚院士团队进一步对月壤中一系列玻璃样品进行了微观结构表征与分析，以期破解其所记录的太空风化信息。
该研究发现，一颗月球玻璃珠能够同时储存不同尺寸、分布规律和显微特征的纳米金属铁颗粒，并借助玻璃珠明确的撞击起源和旋转特征，鉴别出在玻璃珠形成凝固前后分别产生的大、小粒径纳米铁颗粒。进一步，交叉结合天文学、空间科学等学科知识，研究发现具有不同光谱改造效应的大、小尺寸纳米铁颗粒具有独立的形成机制，分别对应于月球表面的（微）陨石撞击和太阳风辐照作用，揭示了（微）陨石撞击和太阳风辐照这两大空间活动在太空风化过程中均起到重要而不同的作用。这深化了科学家对空间环境与月表物质相互作用机理的认识，为未来探索和预测月球磁性异常区、月球阴影区以及不同太空环境下小行星等天体颜色的变化规律提供了启示。
对嫦娥五号月壤太空风化产物纳米金属铁的综合研究，突破了经典观念中由撞击沉积或单一机制主控的纳米铁成因，强调了纳米铁颗粒的多重起源，并证实了大、小尺寸纳米铁的形成分别由撞击和辐照作用主导，澄清了（微）陨石和太阳风在太空风化及天体颜色变化中的关键作用。上述成果与近年来大量的遥感探测光谱数据相吻合，对于预判经历不同太空环境的天体或地区的光学性质具有指导意义。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02300-0
3《Nature Astronomy》丨“时光动画”新方法 揭示银河系暗物质晕形状
左图：旋转的陀螺在重力力矩下产生进动；右图：类比陀螺，银盘翘曲在暗物质晕的力矩下“翩翩起舞（进动）”（上海交通大学制作的艺术想象图）
在近邻宇宙中，多数盘状星系不是完美的圆盘而是在外区表现出像薯片一样的弯曲状态，被称为翘曲。银河系作为典型的盘状星系，表现出翘曲特征。通常认为，翘曲的起源是外盘物质的旋转平面偏离了包裹它的暗物质晕的对称平面。这样一个倾斜的转动银盘如同一个旋转的陀螺，受到暗物质晕施加的引力矩产生进动。然而，翘曲的进动速度在方向和速率的测量方面存在争论。这是由于之前的测量依赖运动学的间接方法，使用的示踪天体因动力学扰动或加热效应而影响测量的准确度与精度。
近日，中国科学院大学、中国科学院国家天文台、北京大学和上海交通大学合作，基于国家天文台负责运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜以及欧洲航天局盖亚卫星数据，首创了“时光动画”新方法，利用不同年龄的造父变星样本直接测量出银盘翘曲的进动方向和速率。基于此，该工作揭示了当前银河系的暗物质晕形状为接近球形的扁椭球。该成果为探讨银河系暗物质晕的演化提供了重要锚点。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02309-5
4《Nature Climate Change》丨盐度差异加剧背后：风力与暖化驱动的海洋变迁
基于观测数据的1965年以来0-2000米海洋平均盐度变化（单位：psu）
作为海水的基础性质之一，海洋盐度是决定海洋层结和环流结构的关键要素。在全球海洋盐度的分布中，大西洋的高盐度和太平洋的低盐度形成了对比，在较大程度上决定了这两个大洋在水团性质、环流结构、气候状态和生物地球化学循环特征等方面的差异，并潜在影响着它们对气候变化的响应和反馈方式。在气候变暖背景下，海洋盐度发生着深刻变化。然而，大西洋与太平洋的盐度差异是加强还是减弱以及有何影响，当前的气候模式如CMIP6能否正确模拟这些变化，尚不清楚。
近日，中国科学院海洋研究所王凡团队联合大气物理研究所分析了海洋0-2000米的观测数据，揭示了过去半个世纪（1965年以来）大西洋-太平洋盐度差（APSC）的加强趋势，即大西洋盐度总体上升、太平洋盐度普遍下降。这种趋势呈现出明显的经向结构，在南北半球的副热带均较为突出。其中，北纬20°至40°之间的APSC加强了5.9±0.6%。APSC的加强具有广泛的影响，特别是加剧了太平洋的海平面上升、海洋层化、次表层海水缺氧和酸化等趋势。
该研究定量揭示了20世纪中叶以来大西洋-太平洋盐度差异（APSC）的加强趋势及其空间结构，阐明了风生海洋环流变异和水团源地迁移对盐度变化的重要作用，并探讨了当前气候模式对盐度变化模拟的普遍偏差及成因。这一成果对改进气候模式、提高气候预测水平具有参考价值。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41558-024-02033-y
5《Nature Communications》丨从细胞到信号，stKeep精准描绘肿瘤微环境异质性蓝图
stKeep算法的框架
癌症可视是一个肿瘤生态系统。其中，肿瘤细胞与其微环境细胞（包括免疫和基质细胞）协作，在各种恶劣环境如缺氧中挣扎求生。此前，陈洛南研究组与左春满团队发布了解析肿瘤内部异质性规律的工具——stMVC。而如何有效利用空间转录组数据揭示调控肿瘤异质性的内部分子互作和外部细胞通讯网络，是下一步的挑战。
近日，研究团队又提出了从空间组学数据解析肿瘤微环境异质性的深度学习方法（stKeep）——基于异质图模型集成空间转录的多模态数据（基因表达、物理位置、病理学信息、肿瘤区域）和分子网络信息（蛋白互作网络、基因调控网络和配体-受体互作网络），识别肿瘤微环境的异质性细胞状态、特异性基因-基因互作网络以及与疾病进展相关的细胞通讯模式。
在三阴性乳腺癌的应用中，相较于其他方法，stKeep能够检测到肿瘤区域内更多的细胞状态。此外，通过整合配对的scRNA-seq数据，stKeep发现了一群此前研究被误分类为正常细胞的肌上皮细胞而实际上是肿瘤细胞，并推断这些细胞是促使疾病恶化的关键转录因子、配体和受体。在结肠癌肝转移癌的应用中，stKeep识别了与结肠癌细胞转移到正常肝脏相关的关键细胞群体和细胞通讯机制。这些生物学发现进一步通过独立样本和临床数据得到了验证。stKeep通过整合多模态和分子网络数据，构建细胞模块、基因模块和细胞通讯模块，从而解析肿瘤生态系统的异质性。同时，stKeep将为空间转录数据在临床预后和免疫治疗中的应用提供支持。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49171-7
/2 
eetop公众号
创芯大讲堂
创芯人才网
发表于 2024-7-9 11:08:21
