研在合工大 | 古生物学、能源、材料等领域研究进展
近期科研进展一览
● 首次揭示已灭绝脊椎动物的青春期发育
● 研发出新型多孔光催化剂
● 两阶段自燃建模研究领域取得新进展
● AIE功能调控及其应用研究领域取得新进展01
首次揭示已灭绝脊椎动物的青春期发育
资源与环境工程学院刘俊教授团队与德国波恩大学Martin Sander教授、日本东京城市大学Nakajima Yasuhisa博士团队合作，首次识别出史前脊椎动物的青春期发育。6月23日，研究成果发表在《当代生物学》杂志上。
包括鹿角、孔雀羽毛以及雄狮的鬃毛在内，长期以来，这些被视为同一物种中不同性别间的显著身体差异被称为“两性异形”或者是“第二性征”。这些引人注目的差异通常在个体成年后才出现，它们为人们理解动物的生长和繁殖提供了重要的信息。
在现生动物中，两性异形通常在青春期伊始发育，其形成代表了性发育的完成。最通俗的例子是人类男性，胡须的生长与青春期的开始相对应。然而，在一些物种尤其是爬行动物中，两性异形仅体现在成年后个体的体型差异上，这使得青春期的识别十分困难。
在过去的数个世纪里，虽然古生物学家们在一些化石中也发现了两性异形的痕迹，但由于化石的保存限制以及化石标本的稀缺性，研究已灭绝动物的性发育及其对第二性征形成的影响更是困难重重。
贵州龙是一种发现于中国西南部三叠系（约2.4亿年前）沉积物中的小型海生爬行动物。贵州龙化石具有数量丰沛、两性异形显著这两大特征。成年的雄性贵州龙具有更为强壮的肱骨和更大的体型。
通过观察肱骨截面，研究人员发现，不同性别的个体在发育过程中骨骼的生长发生了明显变化。骨组织学表明雄性个体的肱骨由于不同区域的异速生长形成了三角形的肱骨中轴截面，而在雌性和幼年个体中，该区域的横截面形状则类似于椭圆形。此外，通过对幼年个体、青春期个体以及成年个体骨组织的对比研究，该团队获得了关于已灭绝爬行动物性发育开始和终止的重要信息。
刘俊介绍，“尽管贵州龙的骨组织保存情况不是很好，但我们幸运地在样品中发现了组织学和外部形态之间的关联，这使得我们能够观察到性发育的过程。”
“通过对贵州龙骨密度和生长速率的分析，我们得出了贵州龙在青春期发生高速生长的结论。动物的两性异形通常为生存或繁殖提供某种优势。青春期结束后，骨密度的增加表明生长放缓，能量分配转向其他方面，比如繁殖。”论文第一作者、合肥工业大学博士李强说。
另一方面，肱骨中轴的形状变化对应着肌肉附着面积的增加，这表明雄性个体的前肢更为强壮。“雄性贵州龙可能面临更高的捕食压力和更频繁的争斗，因此在青春期它们的前肢承受更强的外力刺激。”德国波恩大学博士Nicole Klei介绍。
Nakajima Yasuhisa则认为，外部刺激假说为雄性个体强壮的前肢提供了一个合理的发育解释。这个发现值得关注，因为它表明外部因素在雄性青春期骨骼生长中起到了一定作用。
此外，Martin Sander说，“较强的前肢对于雄性个体的繁殖行为也可能具有优势。强壮的前肢有助于在交配过程中保持交配姿势，类似于两栖动物中的抱合交配。”
在现生动物中，人们同样可以找到由性激素调控的骨骼生长和因此导致的两性异形的例子。
刘俊说，“就像现生生物的性发育受到性激素调控一样，内源性激素的调控在灭绝动物肱骨发育中扮演同样的角色也是可能的。青春期的内源性激素调控和外部压力刺激之间的相互作用共同促成了雄性贵州龙的肱骨形态转变。”
【论文链接】https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.05.073
02
研发出新型多孔光催化剂
化学与化工学院何涛教授团队与华中科技大学化学与化工学院谭必恩教授团队合作，在全光谱及太阳光催化大规模原子转移自由基聚合方向取得新进展，成果在线发表于国际期刊Nature Communications。合肥工业大学为第一单位，第一作者为博士生方蔚伟，硕士生杨桂宇为共同一作，何涛、谭必恩为共同通讯作者。
自由基聚合具有诸多优势，每年全球塑料总产量的45%（约1.5亿吨）和橡胶总产量的40%（约610万吨）主要通过自由基聚合方法生产。可逆去活化自由基聚合（RDRP）采用自由基聚合机制，通过控制聚合过程中的增长链自由基浓度，避免了聚合过程中的终止反应及其他副反应，因此可以制备链段结构、分子量及分子量分布可控的聚合物。RDRP技术能够生产具有独特性能的嵌段、梯度、星形、梳状、支化和超支化共聚物，主要应用于能源电子、特种油墨、高端涂料、飞机工业等。目前，RDRP相关专利及产品大都由PPG、Pilot、Arkema等国际大公司垄断。传统RDRP大多采用热聚合方式，耗能大、不易于控制聚合反应，工艺不环保，对最终产物的结构控制不够理想。经过近十年的发展，目前为止的光催化RDRP仍然存在催化效率不高、单体转化率偏低等缺陷。
针对上述缺陷，化学与化工学院何涛教授团队与华中科技大学化学与化工学院谭必恩教授团队合作，采用三苯基磷等原材料，制备了新型多孔光催化剂，高效应用于ATRP的光催化聚合。该体系可采用从蓝光到红外（450-940nm，包括白光）光进行高效光催化ATRP聚合，所需光强目前报道中最低；同时可直接采用太阳光直接进行光催化ATRP，且不受多云等天气影响。具备超高光催化效率，多种单体转化率超99%，均聚物分子量可控，多分散度低于1.10；利用该体系可合成多种嵌段共聚物，包括丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、苯乙烯类等，多分散度均在1.0x-1.1x之间，结构控制优秀；且单次聚合规模目前世界最大（达400mL/瓶）；成本低，催化剂可回收重复使用。聚合过程耐氧，无需对单体进行脱氧处理，另外催化剂无毒，在聚合物产品中无残留。本体系对标国家新能源及双碳战略，打破了国际垄断，生产过程安全环保，具备了实际意义的工业化生产潜力，已申报相关专利。该工作得到了国家自然科学基金，国家国际科技合作专项等的资助。
Fig. 1 (a) Strategy for the fabrication of PPh3-CHCP photocatalyst. (b) Generation of ATRP activators via photoredox reactions. (c) Photoinduced Cu-ATRP in the presence of PPh3-CHCP.
【论文链接】https://www.nature.com/articles/s41467-023-38402-y
03
两阶段自燃建模研究领域取得新进展
汽车与交通工程学院能源科学与动力系教师张郁在两阶段自燃建模研究领域取得新进展。相关研究成果“State-of-the-art modeling of two-stage auto-ignition: Turbulence, evaporation and chemistry effects”在能源类国际著名学术期刊《Energy Conversion and Management》（能源领域Top期刊，中科院1区，影响因子11.533）上发表。
低温燃烧能同时提高发动机热效率和降低污染物排放，是一种很有发展前景的燃烧技术。在低温燃烧发动机中可观察到两阶段自燃过程，其主要挑战是两阶段自燃的控制十分困难。本研究系统地总结了两阶段自燃建模的最新进展，为设计更高效、更清洁的发动机提供了有价值的指导。本研究着重分析湍流、蒸发和化学效应对两阶段自燃的作用机制，讨论和比较了五种自燃模型。
本研究得到国家自然科学基金项目（52106138）、中央高校基础科研业务费基金项目（2021HGTA0151、2021HGTA0150、2021HGQA0239、2023HGTB0255）、安徽省重大科技项目（202003a05020023）。
【论文链接】https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117269
04
AIE功能调控及其应用
研究领域取得新进展
化学与化工学院郑正研究员团队在有机聚集诱导发光材料（AIE）功能调控及其应用研究领域取得系列新进展，相关研究成果分别发表在国际著名期刊ACS Nano（ACS Nano 2023, 17, 8782−8795.）和Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2023, 2303627.）上。上述研究工作得到了国家自然科学基金等项目资助，合肥工业大学均为第一通讯单位。
有机发光材料由于在各个研究领域的重要应用而受到广泛关注，在实际应用中常常以薄膜、聚集体或晶体的状态工作。目前，有机发光材料的光物理性质调控主要依赖于在分子水平上对分子结构进行共价修饰，这不仅需要复杂且耗时的有机合成工作，而且无法准确地预测材料在聚集状态下的光物理性质。近年来研究表明，有机荧光分子在聚集体或固体状态下的光物理性质与其分子构象和分子间相互作用密切相关。这表明通过调控同一分子的聚集态有望赋予材料不同的光物理性质和功能，对基础研究和实际应用具有重要意义。
郑正研究员团队与香港中文大学（深圳）唐本忠院士和浙江大学钱骏教授团队合作，通过构筑推拉电子结构，以咔唑为共轭桥，开发了一种合成简单的AIE化合物ACIK。ACIK在不同溶剂中重结晶可获得三种固体状态（ACIK-Y、ACIK-R和ACIK-N），具有黄色至近红外的荧光发射，荧光波长差异可达102nm。作者系统阐明了ACIK分子与其不同固态光物理性质之间的构效关系。其中，ACIK-Y固体粉末对机械力有显著荧光响应性，表现出黄色至近红外的荧光变化。梭形ACIK-R微晶表现出光波导特性，具有低光学损耗系数。ACIK纳米颗粒具有特异性脂滴靶向能力，并被成功应用于小鼠脑血管的双光子荧光成像，显示出较高的组织穿透深度和空间分辨率。该项工作不仅展示了一种简单的分子和聚集体协同工程策略用于调控AIE分子的固态发光特性和功能，而且进一步加深了对固态下分子结构和材料性能间关系的理解。
利用分子和聚集体协同工程策略调控固态发光及功能（ACS Nano 2023, 17, 8782−8795.）
此外，脂滴(LDs)是一种广泛存在于大多数细胞和生物体中的动态细胞器，其代谢异常与许多疾病紧密相关。脂滴数量、大小、极性、组成和分布的变化往往反映了细胞或组织内的代谢状态。荧光成像由于操作简单、结果直观、灵敏度高等优点已广泛应用于对细胞和组织中脂滴的可视化。相较于单光子荧光成像，双光子荧光成像具有更高的分辨率和组织穿透深度。其中，具有灵敏极性响应特性的双光子脂滴探针相对缺乏。因此，设计具有灵敏极性响应的双光子脂滴探针用于监测脂滴在深层组织脂质代谢紊乱过程中的数量、大小、极性等理化性质的变化，对于生物医学研究和临床诊断具有重要意义。
基于此，郑正研究员团队与香港中文大学（深圳）唐本忠院士和南方医科大学郑磊教授团队合作，开发了一种合成简单的AIE探针DPBT，其对环境极性和粘度具有灵敏的响应性，表现出显著的粘度增强溶剂致变色发光效应。此外，DPBT还具有大的斯托克位移（163nm）、较高的固体荧光发射效率（56.4%）和优异的双光子吸收（124GM，880nm）性质。生物实验表明，DPBT可用于细胞和多种小鼠组织（动脉粥样硬化斑块、肝脏和肠系膜脂肪组织）中脂滴极性分布的双光子荧光成像，具有优异的组织渗透性、较高的成像对比度和组织穿透深度。结果显示，高脂血症小鼠组织中的脂质沉积及其极性分布与正常小鼠组织存在明显差异，说明DPBT可用于监测小鼠组织中的脂质代谢紊乱情况。该工作不仅为研究脂滴相关的生理和病理过程提供了一种性能优异的荧光脂滴探针，而且为合理开发AIE探针用于脂滴极性分布可视化提供了范例。
极性敏感AIE探针用于生物组织脂质代谢紊乱可视化（Adv. Funct. Mater. 2023, 2303627.）
2.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c02134?ref=PDF
来源 | 资源与环境工程学院 化学与化工学院
汽车与交通工程学院
编辑 | 王子豪
责编 | 卫婷婷
投稿邮箱 | hfutxcb404@163.com
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