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近日，清华大学微电子所任天令课题组首次实现石墨烯智能人工喉，材料学院宋成等受邀在《材料科学进展》发表电控磁效应主题综述论文，生命学院杨茂君连续发文探讨呼吸链II型复合物I，化工系魏飞团队在《化学研究评述》发表超长碳纳米管封面文章，微电子所王晓红课题组在《美国化学学会·纳米》发文揭示柔性压电纳米纤维的晶向自调控过程。

微电子所任天令课题组首次实现石墨烯智能人工喉

2月24日，微电子所任天令教授课题组在《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为《具有声音感知能力的智能石墨烯人工喉》（“An Intelligent Artificial Throat with Sound-Sensing Ability Based on Laser Induced Graphene”）的研究论文，该新型智能器件具有声音收发一体化的特点，既能接收声音，又可以发射声音，并且具有良好的生物兼容性，贴附在聋哑人喉部便可以辅助聋哑人“开口说话”。该器件是石墨烯在可穿戴领域的全新应用，并有望在生物医疗、语音识别等领域产生重要影响。

基于石墨烯的人工喉器件示意图，该器件能够探测人喉部振动并转化为可控声音。

声学器件主要包括发声器件和收声器件。研究收发一体化的声学器件并应用到柔性可穿戴领域具有重要研究价值， 工作在可听域（20Hz - 20kHz）的传统发声与收声器件通常是分立器件，单器件无法同时实现发声与收声。除此之外，传统的声学器件不具备柔韧性，故不适用于柔性可穿戴应用，另一方面柔性可穿戴领域近些年来蓬勃发展，柔性显示器、传感器均获得了较大突破，为了实现一整套柔性电子信息系统，有必要研究集成的柔性声学器件。

任天令教授课题组创新性地提出了一种收发同体的集成声学器件，能够基于石墨烯的热声效应发射声音，并利用石墨烯的压阻效应来接收声音，从而巧妙的实现了单器件的声音收发同体。在器件制备工艺上采用了独特的激光直写技术，能够直接将成本低廉的大面积聚酰亚胺薄膜快速转化为图形化的多孔石墨烯材料。该多孔石墨烯材料一方面具有高热导率和低热容率，能够通过热声效应发出100Hz-40kHz的宽频谱声音；另一方面多孔结构对压力极为敏感，能够感知发声时喉咙处的微弱振动，可以通过压阻效应接收声音信号，从而实现了单器件声音收发一体化集成。因此，可以基于该器件感知聋哑人的低吟等特殊声音，并将这种“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音，从而有望帮助聋哑人“开口说话”。

近年来，任天令教授致力于石墨烯器件的基础研究和实用化应用的探索，尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件，在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已获得了多项创新成果，如柔性石墨烯发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器等，相关成果曾多次发表于《自然通讯》（Nature Communications）《先进材料》（Advanced Materials）《纳米快报》（Nano Letters）《美国化学学会纳米》（ACS Nano）国际电子器件大会（IEDM）等。

清华大学微纳电子系博士生陶璐琪和微纳电子系2015年博士毕业生田禾（现为南加州大学博士后）是文章的共同第一作者，清华大学微电子所任天令教授和杨轶副教授是论文的通讯作者。该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。

论文链接：

http://www.nature.com/articles/ncomms14579

材料学院宋成等受邀在《材料科学进展》发表电控磁效应主题综述论文

近日，材料学院副教授宋成等人受邀在材料领域著名学术期刊《材料科学进展》（Progress in Materials Science）发表了题为《电控磁效应的研究进展：材料，机制，性能》（"Recent progress in voltage control of magnetism: Materials, mechanisms, and performance"）的综述文章，结合所在研究小组近期的多项成果，对电学调控磁性领域的近期进展进行了综述。

图为铁磁/铁电薄膜界面电子轨道开关与物理性能的门电压调控。

存储器是现代集成电路中最基本、最重要的部件之一，其性能是评价微电子技术水平的重要指标。随着产业发展和需求提升，基于材料磁学性能的存储器（如硬盘和磁随机存储器）和基于电学性能的存储器（如闪存、阻变存储器和铁电存储器等）已广泛应用于工业领域与日常生活。然而，基于磁场的磁记录擦写能耗仍然偏高，而基于自旋转移力矩的新一代磁随机存储器（STT-MRAM），进行磁信息写入的临界自旋极化电流密度仍居高不下，与相应半导体工艺水平的晶体管所能承受的最大电流密度仍存在一定的差距。因此，亟需发展能耗更低的信息存储技术。

电控磁效应是利用外界电场的作用来调控材料的磁学特性，进而达到数据存储的目的。这个过程中，磁性的改变不需要外磁场，整个过程也没有电流通过（门电极只是提供电场），可以很大程度上地降低能耗。因此，它的出现有望极大地推动高速、高密度、低能耗和非易失性的存储器的发展。

电控磁效应自2000年发现以来，引起了材料、物理和微电子领域相关学者和存储器工程师的广泛关注，在基础物理认识、薄膜材料制备与低功耗磁存储器件设计等方面取得了长足的进步。其中，宋成等人所在的材料学院磁性薄膜与自旋器件研究小组自2012年以来取得了多项重要进展：在国际上率先实现了电调控电子轨道效应，揭示了基于轨道重构的电控磁效应的新机制，提出并实现了电场对反铁磁金属磁矩的调控等。

相关主题在《物理评论快报》（Physical Review Letters）、《先进材料》（Advanced Materials）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）和《自然·通讯》（Nature Communications）等期刊发表论文近30篇。系列成果产生了一定的国际影响力，先后受邀在磁学与磁性材料会议（MMM）、国际材联-先进材料会议（IUMRS）、材料科学与技术会议（MS&T）以及欧洲材料学会秋季年会（EMRS）等重要国际会议上做邀请报告。

本篇电控磁效应为主题的综述论文发表于《材料科学进展》（87, 33-82, 2017），该期刊是国际材料科学研究领域的综述性学术期刊，主要刊登在材料科学与工程某一研究领域最新研究进展的权威性评述论文，每年出版6-8期，每期1-3篇文章（每一篇论文的印刷页通常超过50页），2016年影响因子为31.08。论文第一作者和通讯作者均为宋成，合作作者包括材料学院教授潘峰、材料学院2011级博士毕业生崔彬（现为德国洪堡博士后）、材料学院2013级博士生李凡和材料学院2014级硕士生周向俊。相关研究工作受国家基金委和科技部项目支持。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.02.002

生命学院杨茂君连续发文 探讨呼吸链II型复合物I

2月8日和14日，生命科学学院杨茂君教授研究组与多个研究组合作分别在《物理化学化学物理》（Physical Chemistry Chemical Physics）期刊发表题为《通过温控电子自旋共振以及量子计算研究酵母Ndi1反铁磁式电子传递机理》（Temperature-Dependent ESR and Computational Studies on Antiferromagnetic Electron Transfer in the Yeast NADH Dehydrogenase Ndi1），在《药物化学》（Journal of Medicinal Chemistry）期刊发表题为《通过结合小分子的恶性疟原虫PfNDH2的晶体结构获得药物靶点以治疗耐药性疟疾》（Target Elucidation by Co-crystal Structures of NADH-Ubiquinone Oxidoreductase of Plasmodium Falciparum (PfNDH2) with Small Molecule to Eliminate Drug-Resistant Malaria）的研究论文。

这两篇论文应用量子化学计算（Quantum Mechnical, QM）方法结合生物物理及生物化学方法揭示了酵母呼吸链II型复合物I NDH-2（Ndi1）催化电子传递的具体机制，并发现Ndi1中电子传递通路间存在反铁磁量子行为；并首次报道了全新抗恶性疟疾药物靶点呼吸链II型复合物I（PfNDH2）与药物前体分子复合物的高分辨率的晶体结构，在蛋白结构和生化水平上解释了这种药物分子抑制恶性疟原虫线粒体呼吸链工作的机制，并且在疟原虫繁殖和小鼠体内证明了此药物前体分子的高效抗疟效果。

RYL-552与PfNDH2的结合方式。

呼吸作用是生物体基本生命活动之一。哺乳动物中，呼吸作用依靠线粒体中的呼吸链大分子蛋白质机器来完成，包括复合物I（NADH脱氧酶）、复合物II（琥珀酸脱氧酶）、复合物III（细胞色素c还原酶）、复合物IV（细胞色素c氧化酶）以及复合物V（ATP合成酶）。2016年，杨茂君教授研究组先后在《自然》和《细胞》期刊率先报道了线粒体呼吸链超级复合物呼吸体的原子分辨率结构，并提出了全新的电子传递机理，为人类正确理解细胞氧化磷酸化过程提供了坚实的基础。在部分低等真核生物（如酵母）以及原核生物中，不存在类似于哺乳动物中的复合物I，起替代作用的是II型复合物I，其电子传递通路明显不同于复合物I，并且由于其只存在于致病微生物而不存在于人体细胞中，因而被认为是天然的特异性药物靶点。

2012年，杨茂君教授研究组在《自然》上率先报到了酵母来源的II型复合物I（Ndi1）的结构，近期又连续发表论文，将低温电子自旋共振（Electron Spin Resonance, ESR）和量子化学计算(QM)等方法在结构生物学领域中成功应用，揭示了Ndi1全新的电子传递机制，更为研发全新的治疗耐药性疟疾的药物提供了精确的结构信息。

Ndi1电子传递机理。

酵母中的Ndi1蛋白能够以FAD为辅基催化电子从NADH传递给泛醌（UQ）。在此之前，杨茂君研究组解析了Ndi1的高分辨率晶体结构及Ndi1与NADH、UQ以及NADH-UQ三种底物复合物的晶体结构，并应用电子自旋共振方法揭示Ndi1中同时存在两个泛醌（UQI，UQII）结合位点（Nature 2012）。经典线粒体复合物借助一系列铁硫簇（Fe-S cluster）间的反铁磁相互作用（antiferromagnetism, AFM）介导的“量子隧穿”效应完成电子传递，但Ndi1蛋白中并不含有铁硫簇，其电子传递机制研究具有特殊意义。应用变温ESR方法（200 K-2K）发现Ndi1蛋白中尽管缺失Fe-S簇，其电子传递过程中仍然存在着反铁磁现象(AFM)。通过针对不同Ndi1电子传递中间体的变温ESR谱图拟合分析获得了反平行电子自旋对之间的海森堡交换耦合常数J，结合量子化学计算方法，系统阐释了Ndi1蛋白中电子从NADH传递到泛醌的通路和机制。

结果表明，在Ndi1蛋白电子传递过程中，FAD中间体自由基的b自旋与UQI半醌自由基的a自旋之间存在着自由基AFM相互作用，当UQI接受了从FADH2依次传来的两个电子，又将电子依次传递给UQII，在这一过程中，半醌自由基对(UQI-UQII)之间也存在着AFM量子行为。进一步的量化计算和生物功能数据表明，Ndi1催化的电子传递过程中的AFM效应是源于辅基·键堆积（stacking）间的through-space交换相互作用。这一研究结果不仅从机理上阐述了Ndi1中的具体电子传递机制，也为研究和应用生物分子的磁学性质提供了新的思路。

对不同生物的线粒体呼吸链蛋白的相关研究，不仅仅有助于人们理解其工作机制，更为靶向线粒体呼吸链的药物研发奠定了坚实的基础。由于II型复合物I只存在于低等生物中，所以一直以来科学家都认为这一蛋白是一种很好对抗病原体的特异性靶标分子。例如目前疟疾在全世界范围内每年仍造成43万人的死亡和212万新增病例。历史上针对传统抗疟疾药物的耐药虫株不断出现，特别是研究人员2008年在湄公河流域一些国家（柬埔寨、越南、缅甸等）发现了耐受抗疟疾特效药青蒿素的虫株。这些耐药疟原虫的出现和扩散，对人类健康构成了极大的威胁，因此，新的抗疟疾药物和抗疟疾机制是当前重要的研究内容。对于恶性疟原虫而言，PfNDH2是其线粒体复合物I的替代蛋白，也是其呼吸链工作的启始蛋白。由于其对疟原虫生存起到关键作用，PfNDH2已经被证明是潜在的抗疟药物靶点。另外，由于人等哺乳动物没有PfNDH2的同源蛋白，因而靶向PfNDH2的抗疟药物具有很高的可行性和选择性。但是由于蛋白结构及其与抑制剂的作用机制并不清楚，导致经典的基于结构的药物设计缺乏有效信息，再加之现有抑制剂极差的类药性质，针对PfNDH2进行的抗疟疾药物研发仍存在较大困难。

现有抑制剂溶解度极差，并导致其几乎不可能与靶蛋白共结晶，研究人员首先对已报道的化合物进行了大量的亲水性化学修饰发现了活性更好的化合物RYL-552和RYL-552S。并首次解析了Apo、以及分别结合底物NADH和药物分子RYL-552等的PfNDH2的高分辨率晶体结构。研究人员通过大量生物化学、生物物理学、分子生物学、药物化学构效关系等研究阐明了RYL-552是通过别构调节对PfNDH2产生抑制作用。研究工作发现RYL-552和RYL-552S对九种从四大洲收集来的耐药疟原虫株都具有很好的抑制作用，且对细胞毒性较低。动物实验亦具有很好的治愈效果且与青蒿素有协同抗疟疾作用，因此具有与青蒿素联合用药发展新的疟疾治疗方法的潜能。此研究成果不仅提供了一种全新的可用于联合用药的抗疟药物分子，为有效地治疗耐药疟疾奠定了重要的研究基础，更开辟了一种利用II型复合物I作为药物靶点的全新的研究思路。

清华大学生命学院李文斐、中国科技大学吴凯棋和中国科学院强磁场科学中心于璐为第一篇文章的共同第一作者，清华大学生命科学学院杨茂君教授、中国科技大学生命科学学院微尺度物质科学国家实验室田长麟教授和郑晓教授为本文共同通讯作者；清华大学药学院博士后杨毅庆, 清华大学生命学院于游、和中国协和医科大学李小璐为第二篇文章的共同第一作者，清华大学生命科学学院杨茂君教授、药学院饶燏教授和中国科学院上海巴斯德研究所江陆斌研究员为本文共同通讯作者。本工作获得清华大学结构生物学高精尖中心、清华-北大生命联合中心、清华大学自主科研基金、清华大学蛋白质科学教育部重点实验室、科技部重大科学研究计划专项、国家杰出青年基金, 国家优秀青年基金和国家自然科学基金的大力支持。

论文链接：

1， http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/CP/C6CP08107J#!divAbstract

2， http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jmedchem.6b01733

3， http://www.nature.com/nature/journal/v537/n7622/full/nature19359.html

4， http://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(16)31533-1

5， http://www.nature.com/nature/journal/v491/n7424/full/nature11541.html

化工系魏飞团队在《化学研究评述》发表超长碳纳米管封面文章

近日，化工系魏飞教授团队在美国化学会旗下的《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）期刊上发表综述论文《结构完美性能优异的超长碳纳米管的可控制备》（Controlled synthesis of ultralong carbon nanotubes with perfect structures and extraordinary properties），并被选为当期封面文章。论文通讯作者为魏飞教授，第一作者为化工系2014年博士毕业生张如范（现为斯坦福大学博士后）。 

《化学研究评述》的当期封面文章。

碳纳米管是由碳原子组成的管状结构纳米材料，具有优美的一维结构和优异的力学、电学、热学及光学性能，在微纳电子、透明显示、功能材料、能量存储、航空航天等领域具有广阔的应用前景。从1991年被发现以来，碳纳米管被广泛关注和研究，并实现了千吨级大批量制备。然而，由于制备工艺的限制，实际制备的碳纳米管通常存在大量结构缺陷，导致其实际性能远低于理论值。此外，实际制备的碳纳米管长度往往为毫米级，难以体现其优异力学性能，也难以在超强纤维、防弹衣、航空航天等高端领域得到应用。因此，可控制备宏观长度、结构完美的超长碳纳米管具有重要的学术意义和应用价值。 

超长碳纳米管的结构调控与可控制备。

在过去十年间，魏飞教授团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，并具有完美结构和优异性能，创造了世界纪录。此外，团队首次发现了宏观尺度的超润滑现象，并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。以上成果相继发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)《自然通讯》（Nature Communications）《先进功能材料》（Advanced Materials）《美国化学学会·纳米》 （ACS Nano）、《纳米快报》（Nano Letters）等国际期刊上，引起了学术界的广泛关注。鉴于魏飞教授团队在超长碳纳米管领域取得的突出成就，《化学研究评述》杂志专门邀请魏飞教授在超长碳纳米管的结构可控制备及优异性能领域撰写评述论文。该论文系统阐述了超长碳纳米管的生长机理、可控制备方法、缺陷控制策略、结构表征及优异性能等，对于超长碳纳米管的可控制备和性能表征等方面的研究具有重要意义。

《化学研究评述》是美国化学会旗下的综述类学术期刊，2016年该期刊的影响因子为22.003，与美国化学会旗下的《化学评论》（Chemical Reviews）和英国皇家化学会旗下的《化学会评论》（Chemical Society Reviews）被公认为国际化学化工领域的三大综述期刊。

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.6b00430

微电子所王晓红课题组在《美国化学学会·纳米》发文揭示柔性压电纳米纤维的晶向自调控过程

近日，微电子所王晓红课题组在《美国化学学会·纳米》（ACS Nano，影响因子：13.33）在线发表了《通过β晶向自调控实现具有超高压电性的聚合物纳米纤维》（Ultrahigh Piezoelectric Polymeric Nanofibers via Self-Orientation of β-Phase Nanocrystals）研究论文，揭示了压电聚合物纳米纤维的压电晶相在氧化石墨烯片层的包裹下形成芯-壳结构的同时进行自我调控过程。该论文的审稿人指出，“这项工作提出了非常有趣的设计和得到了很好的结果”，“这项工作非常新颖，具有非常大的应用前景和调控材料性能”。

压电纳米纤维材料结构模型和表征验证结果。

随着可穿戴电子和能量收集领域的兴起，压电聚合物材料再度引起研究者的关注。因传统的压电聚合物受限于压电材料本身的半晶态（或者非晶态），导致其压电常数远低于压电陶瓷等材料。该项研究首次创造性地设计了一种芯-壳结构，利用外层包裹的氧化石墨烯来使中间的聚合物链从非极性的α相转为极性的β相，并且利用纳米纤维的一维结构和机械拉伸，实现压电β相聚合物长链单向排布，并且在外界电场的调控下，实现具有一致的极化方向，从而极大地提高了纳米纤维的压电性能。

从结构的角度来看，传统聚合物压电材料受外界物理作用，可以使非极性的晶相转化为极性。但是，一方面由于材料本身的热效应等作用，极性晶相并不稳定；另一方面，由于各个压电晶相的极化方向不尽相同，相反极化方向的晶相会相互抵消，材料呈现出的压电性能并不理想。该项研究利用先进的二维材料来调控纳米聚合物纤维的晶相，极大地提升了聚合物的压电性能。该研究方法为未来实现不同材料性能的调控提供了很有前瞻性的借鉴。

芯-壳纳米纤维结构表征结果：（a）纤维的表面形貌图，（b）纤维的TEM图，（c）和（d）纤维上的原子定向排布。

清华大学微电子所王晓红教授为该论文的通讯作者，微纳电子系博士生刘霞为第一作者，清华大学材料学院马静助理教授、微电子所伍晓明副教授以及美国加州大学伯克利分校林立伟教授为本文的共同作者。该研究成果得到了国家自然科学基金和国家基础研究基金等项目的支持。

据悉，近年来，王晓红教授所带领的研究团队致力于微能源的研究，包括能量转换、储存、管理等各方面，该论文是继2016年9月在《美国化学学会·纳米》在线发表题为《用于可穿戴的集成电子系统的具有蜂窝结构的可拉伸超级电容阵列》（“Highly Stretchable Microsupercapacitor Arrays with Honeycomb Structures for Integrated Wearable Electronic Systems”）论文后，该研究团队的又一重要研究成果。

论文链接：

http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsnano.6b07961