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西安交通大学一年内连发4篇Science正在原料学、性

  作为最轻质的金属结构材料,镁在航空航天、汽车、高铁、电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。然而,相比于传统的金属材料,镁的塑性较差,型材和零件的变形加工困难,工艺成本高。这严重制约了镁作为结构材料的广泛应用。

  2019年7月5日,西安交通大学单智伟、澳大利亚莫纳什大学聂建峰和美国内华达大学李斌共同通讯在Science 在线发表题为“Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations”的研究论文,该研究发现塑性差并不是镁的固有属性,通过提高流变应力(如通过细化晶粒或提高应变速率)来促进位错形核和滑移,可能是行之有效的增塑方法;

  2019年4月19日,西安交通大学李飞(西安交通大学为第一单位)及美国宾夕法尼亚州立大学张树君共同通讯在Science 在线发表题为“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystals”的研究论文,该研究成功地生长了Sm掺杂的Pb(Mg1 / 3Nb2 / 3)O3-PbTiO3(Sm-PMN-PT)单晶,其d33值甚至更高,范围为每牛顿3400至4100pC N-1,具有良好的性能均匀性,这些晶体是各种传感应用的理想选择,可以通过消除浪费来降低成本。用扫描透射电子显微镜对原子尺度的Sm-PMN-PT进行了表征,以确定巨大的压电特性是由Sm3 +掺杂剂引入的增强的局部结构非均匀性引起的。因此,稀土掺杂被认为是引入局部结构异质性以增强弛豫铁电晶体的压电性的一般策略。最后,Science发表了题为“Doubling up piezoelectric performance”的点评文章,里面谈到实验成像是一项艰巨的任务,使用高分辨率透射电子显微镜检查PMN-PT结构,在约20×20×20个单元晶格的小体积内,相当于40,000个原子。虽然在该体积中仅存在50个Sm原子,但是图像显示它们在Pb位置被取代,其难度及工作量非常大。另外,PMN-PT晶体中掺入的微量Sm显著提高了它们的压电和介电性能,并且这种效应可能是由纳米级应变波动引起的。这些有趣的发现不仅为机电换能器和低场致动器的设计带来了好消息,而且还提出了关于PMN-PT系列晶体的独特压电性能的起源和极限的问题;

  2018年12月14日,西安交通大学全球环境变化研究院程海教授等在Science在线发表题为Atmospheric14C/12C changes during the last glacial period from Hulu Cave的研究论文,该研究成果提供了一条高精度、分辨率和最长尺度的Δ14C变化记录,首次建立了过去5.4万年以来高精度的14C和230Th年龄对应关系,是该领域具有里程碑意义的新进展。在14C年龄校正到绝对日历年龄方面,以及全球变化、考古、大气-海洋碳循环等研究领域具有重要意义;同时也大大提高了17年前就已经蜚声中外的葫芦洞石笋氧同位素记录的分辨率和230Th年代的精准度,为全球变化研究提供精准的过去5.4万年以来的年代学标尺;

  2018年8月31日,西安交通大学叶凯研究组联合英国约克大学Graham研究组在Science发表题为“The opium poppy genome and morphinan production”的研究论文,该论文报告了罂粟基因组草图,其中2.72 Gb组装成11条染色体,重叠群N50和支架N50分别为1.77 Mb和204 Mb,Paralog分析鉴定了P450和氧化还原酶基因,这些基因组合形成了对罂粟中吗啡喃生物合成必不可少的STORR基因融合体。因此,基因复制,重排和融合事件导致罂粟中特化代谢产物的进化。

西安交通大学一年内连发4篇Science正在原料学、性

  当前主流观点认为,塑性差是镁的本征属性,原因是镁中的锥面位错(一种晶体缺陷)会自发地分解为不可滑移的结构,无法协调塑性变形。因此,提高塑性需要通过添加某些特定的元素来调节锥面位错的行为。但也有一些学者持不同观点,认为锥面位错是有效的塑性变形载体,只要能促进锥面位错的形核和滑移,镁的塑性就可以提高。上述争议直接影响到下一代高塑性镁合金的设计思路和技术路线,因而成为一个急需解决的科学难题。然而,由于锥面位错的几何形态和结构非常复杂,很难通过实验来全面地解析。此前的研究通常以计算机模拟为主,相关观点和推论均缺乏有力的实验证据。

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  图1 亚微米尺寸镁的大塑性变形;图2 实验观测到的塑性变形是由锥面位错滑移主导的;图3 原位电镜捕捉到单根锥面位错的滑移;图4 三维图像重构帮助解析锥面位错的形态及其滑移面

  针对上述难题,西安交通大学单智伟教授团队经过广泛调研和深入讨论,决定采用原位电镜纳米力学测试技术来解决样品几何形变、微观结构演化以及力学曲线三者之间一一对应的难题;选取合适的加载方向来消除其它位错的干扰;采用梯度样品设计来解决捕捉和表征单根位错难的问题;运用三维图像重构技术来解决位错滑移面不易确定的难题;并通过对比力学曲线的方式澄清了电子束影响的问题。

  得益于这些有针对性的实验设计,研究团队以令人信服的结果,证明了最起码对亚微米尺度的纯镁而言,各种类型的锥面位错(刃、螺、混合型)不仅可以滑移,而且可以导致非常大的塑性变形。与块体材料相比,微纳米样品呈现出更高的屈服强度和流变应力。

  因此,研究团队推测高应力促进了锥面位错的形核和滑移,进而提高了测试样品的塑性。通过进一步深入分析,不仅确定了位错的滑移面,而且还清晰地观察到锥面位错的交滑移、位错偶极子的形成以及位错往复运动等此前尚未报道过的重要现象。

  该研究为完善镁的塑性变形理论提供了重要的实验数据,并为高塑性镁合金的开发带来新的启发。

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  西安交通大学青年教师刘博宇博士为本论文的第一作者,博士研究生刘飞为共同第一作者,西安交通大学单智伟教授、澳大利亚莫纳什大学聂建峰教授和美国内华达大学李斌教授为共同通讯作者。参与该工作的科研工作者还包括西安交通大学张磊教授、博士研究生杨楠、西安科技大学翟啸波博士、美国麻省理工学院李巨教授、约翰霍普金斯大学马恩教授、内华达大学博士研究生杨洋。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、111计划2.0、中国博士后科学基金、陕西省重点产业创新链、西安交大青年拔尖人才计划和基本科研业务费等项目的资助。

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  这些独特的特征归因于弛豫-PT晶体的增强的压电性,来自域工程配置中的大的内在(晶格)贡献,而不是陶瓷对应物中观察到的外部畴壁运动。进一步增强压电性,以满足先进压电器件不断增长的需求是一个活跃的领域,特别是对于高频医用换能器阵列和超低磁场驱动致动器,强烈要求高压电性能。然而,尽管做了这些广泛的努力,但在过去二十年中改进这些装置中的压电响应的进展缓慢。

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  根据Landau现象学理论,可以通过增加介电常数ε33/ε0来实现高内在d33,其对应于相对于极化的平坦吉布斯自由能密度分布。先前的研究表明,通过宏观地或微观上的局部结构设计铁电相,可以使铁电体的自由能分布平坦化。从宏观上看,铁电单畴的自由能分布可以通过设计准同型相界(MPB)来平坦化,在此期间两个或多个准同型相之间的能垒预计较低。许多研究表明,由于B位阳离子的独特特征 - 即Mg2 + -Nb5 +的存在,PMN-PT晶体的高压电性受益于MPB和纳米级结构的异质性。

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  通过A位改性进一步增强了PMN-PT多晶陶瓷的局部结构非均质性,使d33增加到~1500 pC N-1。掺杂Sm的PMN-PT陶瓷的d33是最好的PMN-PT陶瓷的两倍,但仍低于PMN-PT单晶的值。

  在该研究中,成功地生长了Sm掺杂的Pb(Mg1 / 3Nb2 / 3)O3-PbTiO3(Sm-PMN-PT)单晶,其d33值甚至更高,范围为每牛顿3400至4100pC N-1,具有良好的性能均匀性。研究人员用扫描透射电子显微镜对原子尺度的Sm-PMN-PT进行了表征,并进行了第一性原理计算,以确定巨大的压电特性是由Sm3 +掺杂剂引入的增强的局部结构非均匀性引起的。因此,稀土掺杂被认为是引入局部结构异质性以增强弛豫铁电晶体的压电性的一般策略。

  3.西安交通大学全球环境变化研究院程海提供了一条高精度、分辨率和最长尺度的Δ14C变化记录

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  运用14C方法测年需要知道被测样品形成时大气或海洋的14C浓度(Δ14C:相对于1890年树木的14C),从而对14C年龄进行校正,被测样品14C年龄在未经过校正前尚不是样品形成的真实年龄。为此,国际上专门成立了国际工作组(International Calibration 1998、2004、2009和2013)来不断提高14C年代校正曲线的精度和准确度。目前,以树轮工作为主建立了约1.4万年以来的高精度和高分辨率的14C年代校正曲线C年代校正仍存在较大不确定性。

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  本研究利用中国南京葫芦洞的两支石笋首次将石笋Δ14C记录拓展至过去5.4万年,涵盖了14C测年方法的整个年龄范围。该记录位于International Calibration2013(IntCal13)所采用的基本数据变化范围的中间值附近,具有很高的可信度。对于老于30 ka BP的时段,新葫芦洞Δ14C记录与IntCal13有一定不同(见上图)。本研究进一步证实了Δ14C的千年尺度变化主要受地磁场控制,例如两次著名的古地磁变弱事件(Mono Lake Excursion和Laschamp Event)均造成了Δ14C的异常高值。除此之外,研究者还发现千年尺度气候变化引起的碳循环变化也会影响Δ14C变化。研究认为,25-11 ka BP期间Δ14C值长期减小的变化趋势很可能与海洋通风逐渐增强有关,但这仍需要未来进行更加深入的研究。

  程海教授是该文章的第一作者,西安交通大学为第一作者单位。该研究得到了中国国家自然科学基金、美国国家自然科学基金等项目资助以及全球环境变化研究院院级大型仪器设备共享平台的支持。

  4.西安交通大学叶凯研究组联合英国约克大学Graham顺利组装罂粟基因组图谱

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  纵观历史,罂粟(Papaver somniferum L.)既是人类文明的朋友也是敌人。在新石器时代使用以来,被称为鸦片的树液含有各种生物碱,包括吗啡和可卡因,其作用范围从缓解疼痛和抑制咳嗽到兴奋,嗜睡和成瘾。基于阿片类药物的镇痛药仍然是缓解严重疼痛和姑息治疗的最有效和最便宜的治疗方法,但由于其成瘾性质,谨慎的医疗处方对于避免滥用是至关重要的。解决中低收入国家贫困人口无法获得缓解疼痛或姑息治疗的问题,已被公认为全球健康和公平的必要条件。

  化学合成或合成生物学方法对于任何吗啡喃亚类苄基异喹啉生物碱(BIA)尚不具有商业可行性,并且罂粟仍然是唯一的商业来源。基因组重排在罂粟中BIA代谢的进化中起重要作用。例如,一组10个基因编码用于产生镇咳和抗癌化合物诺斯卡品的酶,其属于BIA的酞喹啉亚类,并且P450氧化还原酶基因融合负责关键合成步骤。反应导向代谢物向吗啡喃分支并远离诺斯卡品分支。

  在这里,西安交通大学叶凯研究组联合英国约克大学Graham研究组提出了罂粟基因组的序列组装,该论文报告了罂粟基因组草图,其中2.72 Gb组装成11条染色体,重叠群N50和支架N50分别为1.77 Mb和204 Mb,Paralog分析鉴定了P450和氧化还原酶基因,这些基因组合形成了对罂粟中吗啡喃生物合成必不可少的STORR基因融合体。因此,基因复制,重排和融合事件导致罂粟中特化代谢产物的进化。以帮助观察BIA代谢的进化,并为进一步改善这种药用植物提供基础。

  (来源:iNature微信公众号有部分解析参考西安交通大学官网及公众号)

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