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近日，交大科研人员在非易失性磁性调控、5V级高压锂金属电池电解液研究、细胞生物力学、压电驱动研究、可见光诱导铁氧化还原催化选择性转换生物质制备甲酸、生命框架理论研究等领域接连取得重要研究进展。
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｜目录｜
1、西安交大科研人员在非易失性磁性调控领域取得新进展
2、西安交大科研人员在5V级高压锂金属电池电解液研究方面取得新进展
3、西安交大科研团队在细胞生物力学领域取得新进展
4、西安交大科研团队在压电驱动研究领域取得重要进展
5、西安交大科研人员在可见光诱导铁氧化还原催化选择性转换生物质制备甲酸方面取得新进展
6、西安交大科研人员提出一种基于能量流动与演化的生命框架理论
西安交大科研人员
在非易失性磁性调控领域取得新进展
发表期刊
《今日纳米》
（Nano Today）
内容摘要
随着现代技术的不断发展，铁磁材料薄膜被广泛应用于存储器中。其中通过对电子自旋属性的调控将逻辑运算和高密度信息存储相结合，是电子信息领域的重大关键技术。然而，传统的电流驱动自旋翻转不可避免地存在高温发热问题，限制了器件制备的微型化与性能的稳定性。时至今日，尽管电压调控磁各向异性技术（VCMA）得到了快速发展，但仍存在一些问题，比如高工作电压、压电材料难以集成化以及存在界面化学腐蚀等。由此可见，寻找新的自旋调控方式，设计新的低功耗自旋存储单元是自旋电子学器件的重要研究热点。
图a为测试方法示意图、器件结构PN-Si/Ta/CoFeB/Cu示意图与截面TEM
图b为不同光强下Ta作为插层结构的磁化强度变化
图c为在开光/关光下的自旋态非易失性变化。
针对这一科学问题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院刘明教授团队开发了光伏/铁磁异质结，引入中间缓冲层，实现了自然光对自旋翻转的非易失性调控。当Ta为中间层时，饱和磁化强度（Ms）降低了8.3 %并且展现出非易失性。这是由于Ta原子5d电子轨道具有更高的能级，会导致部分光电子停留在铁磁层中，从而实现器件的三重自旋态变化。这一设计为下一代具有快速响应和低能耗的自旋电子器件拓宽了视野与思路，对新型光伏自旋电子器件应用提供重要思路与指导意义。
文章作者
西安交通大学电子学院为第一通讯单位。电信学部赵一凡副教授为第一作者，博士生杜雨婧为共同一作，电子学院周子尧教授、西安交通大学材料学院王蕾副教授和中国科学技术大学李倩教授为论文共同通讯作者。
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西安交大科研人员
在5V级高压锂金属电池电解液
研究方面取得新进展
发表期刊
《储能材料》
（Energy Storage Materials）
内容摘要
锂电池具有能量密度高、循环寿命长、转化效率高、应用灵活、成本低廉等特点，成为应用最广泛的储能器件。然而，基于目前商业化的磷酸铁锂、三元正极材料和石墨负极材料的锂离子电池的能量密度已经接近理论极限。应用5V级高压正极材料和锂金属负极的电池可以获得更高的放电电压和能量密度，极具应用前景，但传统碳酸酯电解液在高压下的分解和对锂金属负极的严重不稳定严重制约着高压锂金属电池的使用寿命和安全性。目前所报道的“高浓盐”电解液和“局部高浓”电解液在提升电池性能方面有着卓越的表现，然而电解液中有益的溶剂化结构“聚集体”仍然需要较高的盐浓度来维持。
针对这一问题，化学工程与技术学院李明涛教授团队提出了一种“分散聚集”策略，使用耐高压的环丁砜（SL）和六氟磷酸锂（LiPF6）作为盐和溶剂，利用LiPF6在SL中独特的弱解离特性，在低盐浓度下形成了三维阴离子聚集体团簇网络。随后引入氢氟醚（HFE）作为分散剂，将聚集体网络分散为更小、迁移速率更快的小型聚集体团簇。使用该策略设计的“分散聚集”电解液（HFE）在接近标准盐浓度（1M）的条件下实现了以5V级尖晶石镍锰酸锂电池的500圈稳定循环，容量保持率89%，平均库伦效率99.5%。
图1 分子动力学模拟研究电解液的溶剂化结构（a-c）电解液的径向分布函数
（d-f）电解液中组分的配位数曲线 （g-l）电解液的分子动力学模拟快照
如图1g所示，在不添加HFE时，由于PF6-具有六个吸电子基团（-F）,基础电解液（BE）中阴离子表现出明显的团聚。通过引入不同HFE来考察HFE链长、氟化程度对分散能力的影响。如图1h-l所示，添加四氟乙基乙醚（HFE-1）、四氟乙基三氟乙基醚（HFE-2）、四氟乙基四氟丙基醚（HFE-3）、六氟丙基三氟乙醚（HFE-4）、八氟戊基四氟乙基醚（HFE-5）后， DAE中聚集体团簇的分散效果依次增强，这点也可以从Li-P（PF6-）的配位数减小来体现。更重要的是，Li-P的间距变得更近，表明阴阳离子相互作用增强，这将导致阴离子在负极表面分解生成富含氟化锂的固体电解质界面。同时观察到Li-S（SL）的配位数也减小，表明SL参与溶剂化的能力减弱，SL随Li+到达负极界面的概率变低，表明受抑制的溶剂分解。
图2 分散聚集电解液的电化学性能（a）电导率 （b）氧化稳定性
（c）Li||Li对称电池稳定性（d）LNMO||Li电池循环性能
设计的DAE拥有与商业化碳酸酯电解液相媲美的电导率和高达5.5V的分解电位(图2a-b)。当不加HFE时，电解液粘度较高，且锂离子以结构扩散为主，这导致低电导率。添加HFE不但没有影响电解液的氧化性，而且提高了电导率，将电解液中锂离子的扩散方式从结构扩散转变为载体扩散，这将导致更快的离子迁移速度。对于不同HFE，电解液电导率表现为随着HFE的分子量和粘度增大而逐渐降低。使用DAE-4和DAE-5的对称电池能够稳定运行800和1000个小时，表明了对锂负极优秀的稳定性。此外，使用DAE-4和DAE-5的镍锰酸锂电池在500个循环里实现了89.4%和83.2%的容量保持率。这意味着具有高度氟化和长链的HFE是作为电解液中聚集体分散剂的更好选择。
由于现有先进的电解液体系几乎都采用高浓度盐来实现电解液的“富聚集体”溶液结构，这将导致难以接受的高成本。李明涛教授团队提出的“分散聚集”策略可显著改善低盐浓度下5V级高压锂电池的循环稳定性，对满足大功率储能需求有重大意义，并为高压锂金属电池电解液的设计提供了新思路。
文章作者
西安交通大学化学工程与技术学院为本文的唯一通讯单位，第一作者为西安交通大学硕士生海峰，通讯作者为西安交通大学化工学院李明涛教授。
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西安交大科研团队
在细胞生物力学领域取得新进展
发表期刊
《自然·通讯》
（Nature Communications）
内容摘要
在过去的20年中，越来越多的研究发现“力”存在于生命体-器官-组织-细胞-分子等多个层次。科学家开始关注到力学在胚胎发育的初始阶段、器官形成以及生命晚期的病理过程等生物体各个阶段中发挥着关键作用，发现“力”是塑形生命的关键力量，认为来自于细胞微环境中的多种力学因素对细胞功能的调控具有重要意义。例如，在间充质发育（Mesenchymal development）早期，细胞-细胞间的力学相互作用占主导地位。但是随着发育的进行，细胞开始分化并导致细胞外基质（Extracellular matrix, ECM）的沉积逐渐增加。因此，发育初期占主导的细胞-细胞间的力学相互作用也逐渐过渡到细胞-ECM间的力学相互作用，并达到稳态（图1）。此外，由于在体细胞微环境中包含了复杂的生化及物理因素，如何在体外重现这些动态力学作用已成为该领域研究的难点，这极大限制了探索力学因素对发育过程的影响规律及其作用机制。
图1 间充质发育过程中动态力学相互作用：
钙黏素介导细胞-细胞间的力学相互作用逐渐过渡到整合素介导细胞-ECM间的力学相互作用
针对上述问题，西安交通大学生命学院仿生工程与生物力学研究所林敏教授课题组巧妙地利用DNA具有精确互补配对的特性，通过DNA杂交和链替换反应，实现了对整合素受体（介导细胞-ECM间的力学相互作用）和钙黏素受体（介导细胞-细胞间的力学相互作用）的实时动态调控，在体外模拟了间充质发育过程的动态力学微环境。研究发现，细胞-细胞间的力学相互作用逐渐过渡到细胞-ECM间的力学相互作用的过程，促进了间充质干细胞的转录激活因子（YAP）在细胞核内逐渐累积，并逐渐向成骨分化。针对此现象，进一步揭示了其中的力学机制：整合素受体介导细胞-ECM力学相互作用逐渐占主导并促进间充质干细胞中cofilin的磷酸化，从而使其失去解聚F-actin的能力，导致F-actin累积并形成更多的肌动蛋白帽（actin cap），进而压缩细胞核，使核孔扩张，YAP主动入核速率增加，最终导致YAP核定位，从而调控干细胞的分化。研究也发现这种动态的力学作用可使干细胞形成“力学记忆”：整合素介导的黏附使间充质干细胞的YAP在细胞核内累积，而N-钙黏素介导的黏附介入后，YAP核质比会显著降低。即细胞核内YAP的累积可以被N-钙黏素介导的黏附所逆转。这是继该课题组揭示了整合素受体聚集依赖的细胞力学信号转导机制（Science Advance, 2020，封面论文），力学效应调控间充质干细胞的力学记忆和干性逆转/维持过程（Nature Communications, 2021）和力学黏附强化效应的癌细胞迁移机制（Nature Materials, 2022）之后，在细胞生物力学研究领域的又一新进展。
文章作者
西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室为该论文的第一作者单位和通讯作者单位，博士生张政为第一作者，林敏教授为唯一通讯作者。参与本项工作的研究者还包括圣路易斯华盛顿大学Guy Genin教授、南京航空航天大学卢天健教授、西安医学院沙保勇教授、西安交通大学徐峰教授等。
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西安交大科研团队
在压电驱动研究领域取得重要进展
发表期刊
《自然-通讯》
（Nature Communications）
内容摘要
压电驱动具有纳米级运动精度、断电自锁等特点，是精密制造、精密测量和精密驱动中的核心关键技术之一，在光刻机、激光准直等精密制造与精准定位系统中占据着极其重要的地位。随着科学技术的飞速发展，微纳加工、激光通讯等系统对精密驱动技术的要求越来越高，如何实现兼具快速运动和高精度定位的驱动技术已成为了当前亟待解决的关键问题。
图1 团队近期研发的高性能压电驱动器件：
（a）基于序构压电材料的小型化高精度压电马达
（b）高性能仿生透明微型机器人
（c）一体化压电自适应变焦透镜
针对上述问题，西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室李飞、徐卓教授团队基于材料序构的思想，通过设计压电基元的几何形状、空间堆垛与排列方式，进一步提高了陶瓷和单晶材料的压电性能，同时实现了材料的多模态振动耦合，为压电驱动的性能提升提供了新的思路。基于上述基元序构压电材料，团队研制了小型化高精度超声马达（图1a），马达定子的尺寸远小于一颗米粒，该马达同时具有高位移分辨率（3纳米）和高单位体积运动速度（4.66 s-1mm-2），其位移分辨率比传统超声电机提高了2个数量级。
论文作者
论文第一作者为西安交大电信学部博士生刘金凤，通讯作者为西安交通大学高翔宇副教授和李飞教授。参与本项工作的还包括西安交通大学徐卓教授、北京大学董蜀湘教授、OPPO广东移动通信有限公司陈伟高工、何雨航博士等。
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西安交大科研人员
在可见光诱导铁氧化还原催化选择性
转换生物质制备甲酸方面取得新进展
发表期刊
《化学》
（Chem）
内容摘要
生物质作为一种取之不尽，用之不竭的可再生资源，被视为化石资源潜在的代替品之一。发展生物质资源转换为高值化学品及能源载体是可持续发展的必然趋势。甲酸是基本有机化工原料之一，可广泛用于农药、皮革、染料、医药和橡胶等工业领域。此外，甲酸也被视为极具前景的液体储氢材料，也是生物质高效制氢的关键中间体。目前工业制备甲酸主要依赖于化石资源，且合成步骤繁琐。因此，将生物质高效高选择性地转化为甲酸对于可持续发展具有重要意义。
迄今，以廉价易得的氧气作为氧化剂将生物质氧化/水解氧化为甲酸需要在160 °C, 2–3 MPaO2或90°C、大量有机溶剂条件下进行。碱性条件下以TiO2作为光敏剂，紫外光照射产生超氧自由基负离子及羟基自由基作为活性物种，可将生物质氧化为甲酸钠，但产率仅达到35%。近期，西安交通大学前沿院李洋教授课题组利用可见光诱导廉价金属铁氧化还原催化，在室温不超过3 bar氧气压力条件下，将葡萄糖、山梨醇、纤维素、麦秆等生物质及其衍生物高效高选择性转化为甲酸，产率最高可达91%(图1)。
图1 可见光诱导铁氧化还原催化生物质高效高选择性制备甲酸
反应机理研究表明，该转化通过多次金属Fe(III)与水和底物分子/中间体形成配合物，在可见光照射下发生配体-金属电荷转移(LMCT)产生烷氧自由基，诱导碳碳键断裂，随后历经氧气捕获碳自由基、氢原子转移(HAT)、Fe(II)催化的单电子转移(SET)的路径，将生物质高效逐级氧化为甲酸(图2)。通过调控催化剂用量、氧气浓度及光照波长控制羟基自由基浓度，实现选择性转化。动力学同位素效应实验表明，氢原子转移(HAT)为该转化的决速步骤(图2)。催化剂循环实验和克级规模反应展示了该转化的潜在应用。该研究工作为复杂生物质碳碳键断裂提供了全新思路。
图2 葡萄糖高效高选择性制备甲酸可能的催化路径
论文作者
西安交通大学前沿院博士生张文敏为本文第一作者，前沿院和动力工程多相流国家重点实验室为该论文的第一通讯单位。
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课题组链接
西安交大科研人员
提出一种基于能量流动与演化的生命框架理论
发表期刊
《应用科学》
(Applied Sciences)
内容摘要
生命，是地球上最普通、宇宙中最稀有的神奇存在。什么是生命？生命是如何产生、生长和演化的？生命的多样性是如何发展的？这些问题就一直困扰着人类，不同国家和民族的圣哲先贤们提出了很多不同的理论与假说。随着现代科学的兴起，对生命科学的研究已经深达分子层面，但对生命的理解却越来越迷茫。近几十年来，科学家们提出需要一个统一的生命系统理论来解释生命的本质，而不是试图将事物分解为微观分子来研究生命现象。
能动学院魏衍举副教授团队通过对重质液滴撞击液面时产生的类生命分叉生长行为进行深入研究思考，结合基因学、细胞学、植物学、动物学、解剖学、流体力学与分形理论，提出了一种基于能量演化的生命框架理论。
该论文以所有生命共同的祖先细胞为起点，利用能量定律解释了物理生命形态的生长与分化过程，发现生命是基于简单规则的某种能量的自然演化过程。多细胞生物形体的基本轮廓特征符合流体运动规律，仅通过原始细胞的数次分裂（n<10）就可确定，随后的生物体生长现象为细胞的结构性增殖与分化，形成了以“1↔N”为能量分配特征的复杂“Y”形分形网络结构，即生命体。其次，提出了能量化基因的概念，环境条件是生命遗传信息的重要组成部分，它对生命大爆炸与生命进化具有决定性影响。再次，发现基因的折叠形式与碱基对的排列顺序一样，也具有同等重要的意义。基因的螺旋分形式逐层折叠将一维线型信息排列组合转化为三维全息分形结构，这个自相似结构作为细胞、组织、器官与生命体的构建蓝图，通过简单的能量螺旋机制构建整个生物体。最后，提出对生命本质的假说，推测生命可能起源于一对纠缠的能量。
该理论是“道、一、二、三”哲学思想在生命领域的具体应用，是中医理论的科学基础。它指出了复杂现象的简单本质，为有形的生命与无形的能量搭建了一座桥梁，能量流动与演化将生命现象从微观到宏观、从基因、细胞、器官到生物体有机地联系在一起，为解释生命提供了一个崭新的视角，可以为生物学家，尤其是擅长系统性思维的东方生物学家更好地揭示生命的奥秘提供一些具有东方特色的研究思路。该理论还可以为分形理论与系统论提供一个能量基础，其所体现的哲学方法拥有十分广泛的应用场景，对于现代系统科学研究具有重要的参考意义。
文章作者
该论文第一作者兼通讯作者为能动学院魏衍举副教授，航天学院杨亚晶副教授为共同第一作者，第三作者为博士生张亚杰，第四、第五作者分别为硕士生穆志强和卜繁陆。西安交大为独立完成单位。
阅读论文
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「出品 / 党委宣传部」
内容来源 / 西安交大电信学部 化工学院
能动学院 生命学院 前沿院
版尾设计 / X工作室 方柯淳
责任编辑 / 谭金巍