科研动态 | 南科大近期科研成果一览

金秋九月 新学期伊始

南科大师生们科研的身影

也丝毫没有停歇

近期南科大高水平学术成果

源源不断

在多个方面取得重要进展

一起来看看吧

南科大近期科研成果速览

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实现首个三维陈绝缘体的实验

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制备零体积膨胀锂复合负极

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在锂电池负极材料方向取得系列研究进展

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揭示全球变暖通过MJO加剧热带地区极端降水

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制备出复杂高长径比的微管道

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开发单细胞多模态组学技术ISSAAC-seq

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实现由不定因果序驱动的量子冰箱

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在量子精密测量领域取得研究进展

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研究发现纳米尺度的塑料会导致人体肝细胞和肺细胞损伤

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发文解释高超声速转捩与湍流边界层的壁面摩阻和热流分解的相关现象

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提出一种新型有效的自约束人体姿态估计方法

*以上排序按照新闻发布顺序排列

高振课题组联合国内外研究团队在Nature发文宣告陈绝缘体进入三维时代

南方科技大学电子与电气工程系高振副教授课题组联合中国和新加坡多家单位的合作研究成果，宣告了首个三维陈绝缘体的实验实现。研究成果以“三维光子晶体中的拓扑陈矢量”（Topological Chern vectors in three-dimensional photonic crystals）为题发表在国际顶级期刊Nature上。

该工作标志着陈绝缘体正式进入三维时代。从基础物理层面讲，这一寻找多年的拓扑态终于被实验发现，极大地扩充了拓扑家族的成员。此外，数学体系中的纽结与链环概念首次在物理体系中被实验观测到，极大地加强了数学拓扑与物理拓扑之间的内在联系。从实际应用层面讲，三维陈绝缘体的手性拓扑表面态具有受拓扑保护的单向、鲁棒传输特性，可对任何缺陷、杂质、无序、尖锐拐角等障碍免疫而具有绝对鲁棒性。未来无论是大容量、高效率、低损耗电磁信息传输还是拓扑计算，三维陈绝缘体都将是一个不可或缺的重要成员。得益于光学体系的优异特性，这项工作不仅实验验证了一系列过去的理论预言，而且发现了一些过去理论层面尚未触及到的新奇物理现象。同时，我们也期待三维陈绝缘体能够在凝聚态体系中尽早被发现，将拓扑家族成员进一步完善。

邓永红团队制备零体积膨胀锂复合负极

南方科技大学材料科学与工程系邓永红教授团队在柔性锂金属电池领域取得研究进展，相关成果以“Roll-to-roll Fabrication of Zero-Volume-Expansion Lithium Composite Anodes to Realize High-Energy-Density Flexible and Stable Lithium Metal Batteries”为题发表在国际顶级学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

本研究工作采用卷对卷辊压工艺，制备具有三明治结构的零体积膨胀锂复合负极（zeroVE-Li），显著提升锂金属电池的电化学性能。该零体积膨胀设计为锂金属电池的实用化应用提供了新的思路。卷对卷制造过程也显示了其规模化生产的潜力。原则上，该零体积膨胀设计也适用于构建其他金属电池负极（如钠、钾和锌金属电池等），以提高能量密度、循环和结构稳定性。

曾林团队在锂电池负极材料方向取得系列研究进展

南方科技大学机械与能源工程系曾林副教授课题组在高性能锂金属负极的设计与制备方面取得研究进展，系列成果以“Dual Vertically Aligned Electrode-Inspired High-Capacity Lithium Batteries”和“Nitrogen, Oxygen-codoped Vertical Graphene Arrays Coated 3D Flexible Carbon Fibers with High Silicon Content as an Ultrastable Anode for Superior Lithium Storage”为题发表在国际期刊Advanced Science。

研究团队提出了一种具有高导电性和机械稳定性的双垂直取向电极设计，以开发无枝晶LMA和高容量阴极。研究人员设计合成了一种氮氧共掺杂垂直石墨烯阵列包覆三维柔性高硅纳米纤维柔性自支撑电极，结合静电纺丝和化学气相沉积工艺，以解决纯硅负极体积膨胀为目标，将碳纳米纤维的一维结构与二维石墨烯片引入纳米硅负极中，实现双重包覆，构建了三维连续导电网络，从而大幅提升电极导电性、结构稳定性和电化学性能。该工作通过调控电纺工艺实现了高硅含量（＞90%）复合硅碳纤维，双重碳包覆有效缓解硅颗粒体积膨胀，实现大电流充放电及长循环稳定性。

陈全团队提出先进器件多物理建模和大规模电路仿真新方法

南方科技大学深港微电子学院助理教授陈全团队在自旋转移力矩磁存储器件（STT-MRAM）建模仿真领域与大规模模拟电路瞬态仿真方面取得一系列新的进展，相关成果以“TEMT: A Transient Electronic-Magnetic-Thermal Coupled Simulation Framework for STT-MTJs”和“EI-MOR: A Hybrid Exponential Integrator and Model Order Reduction Approach for Transient Power/Ground Network Analysis”分别发表于电子设计自动化（EDA）领域国际知名学术期刊IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems （TCAD）和国际顶级学术会议 International Conference on Computer-Aided Design, ICCAD 2022上。

在“STT- MTJ的电-磁-热多物理耦合建模与仿真”的研究中首次提出一种高效的三物理模型耦合仿真框架及算法，分别采用量子非平衡态格林函数法（NEGF）、宏磁动力学方程（LLGS）和热传导方程（HCE）对其电-磁-热物理过程建模，并提出双层自洽迭代求解算法表述三个物理过程的耦合关系。

在“EI-MOR:一种用于电源地网络瞬态仿真的指数积分与模型降阶合成方法”的研究中，研究团队创新地提出了一种指数积分与模型降阶合成方法，解决大规模电源地网络瞬态仿真中由于输入不对齐导致指数积分效率下降的问题。

曾振中团队揭示全球变暖通过MJO加剧热带地区极端降水

南方科技大学环境科学与工程学院副教授曾振中团队在Nature旗下期刊npj Climate and Atmospheric Science发表题为“Madden-Julian Oscillation-induced extreme rainfalls constrained by global warming mitigation”的研究论文，结合第六次模型耦合比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）的模型数据探究了在21世纪末不同共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSPs）下，MJO引起的极端降雨的变化，并估算了暴露在极端降雨下人口数量和城市面积。

研究团队通过筛选出的8个参与CMIP6并对MJO自西向东传播过程与强度模拟准确的气候模式，分别在SSP5-8.5（化石燃料为主要发展路径），SSP2-4.5（中间路径）及SSP1-2.6（可持续发展路径）下根据Wheeler & Hendon 提出的MJO指数（real-time MJO multivariate RMM index），计算出北半球冬季MJO相关的极端降雨量。其中，向外长波辐射（Outgoing Longwave Radiation），850百帕和250百帕纬向风速三个变量用于计算MJO指数。

王宏强团队制备出复杂高长径比的微管道

南方科技大学机械与能源工程系王宏强副教授团队在《自然通讯》（Nature Communications）发表题为“Self-shrinking soft demoulding for complex high-aspect-ratio microchannels”的研究论文，提出了一种用于制备复杂高长径比的微管道的方法。

研究人员从第一性原理对微腔道技术进行分析，关注到微腔道的形成中，脱模的力学过程是最为关键的因素之一，因此课题组独辟蹊径，通过设计实现可变形的柔性模板，极大减少了模板去除过程中所需的力。课题组基于这种可变形模板制备出各种复杂的微细腔道，包括锥形、螺旋形、双螺旋形、树状，以及马鞍面形的软模板结构。

陈曦、靳文菲团队开发单细胞多模态组学技术ISSAAC-seq

南方科技大学生命科学学院助理教授陈曦课题组、副教授靳文菲课题组合作在Nature Methods杂志上发表标题为“灵敏且灵活的ISSAAC-seq在单细胞水平同时检测染色开放及基因表达”（ISSAAC-seq enables sensitive and flexible multimodal profiling of chromatin accessibility and gene expression in single cells）的论文。

论文详细介绍了他们开发的一种新型的、简单可靠的单细胞多模态组学技术ISSAAC-seq，能够在同一细胞内，同时检测染色质可及性（ATAC-seq）以及基因表达（RNA-seq）。该方法操作灵活，既适用于基于孔板的低通量实验方案，又可以通过微流控装置进行高通量研究。ISSAAC-seq的高度可重复性、模块化设计和低成本的小规模预实验模式也为这一技术在方法学上的进一步拓展提供了可能。

南科大本科生在《物理评论快报》发文实现由不定因果序驱动的量子冰箱

南方科技大学物理系师生在实验中实现了由不定因果序驱动的量子冰箱。相关成果以“Experimental realization of a quantum refrigerator driven by indefinite causal orders”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

在对基于不定因果序的冰箱进行实验研究时，研究人员发现该冰箱的工作效率受限于过程(1)中对“因果目击者”测量的成功概率，且总会被限制在一个较小的值（约0.08）。为了提高冰箱的工作效率，研究人员提出了一种基于密度矩阵指数化（Density matrix exponentiation）的框架。这个方法将冰箱的效率提高了3倍，并且在实验上进行了验证。这项工作成功演示了一种基于不定因果序的非经典热交换作用，为今后量子冰箱的更多研究铺平了道路。

郑春苗课题组研究发现纳米尺度的塑料会导致人体肝细胞和肺细胞损伤

南方科技大学环境科学与工程学院讲席教授郑春苗课题组联合香港浸会大学讲席教授蔡宗苇团队，在环境科学领域著名期刊Environmental Science & Technology 发表了题为“纳米塑料导致人体肝细胞和肺细胞损伤”（Metabolomics Reveal Nanoplastic-Induced Mitochondrial Damage in Human Liver and Lung Cells）的研究论文。

该研究揭示了纳米尺度的塑料能够穿过细胞膜进入人体肝细胞和肺细胞内部，并造成线粒体功能障碍和代谢紊乱。这项细胞水平上的研究为理解新污染物NPs暴露对人体健康，尤其是代谢功能的影响提供了全新的视野，也为进一步开展NPs的健康风险评估提供了科学依据。

王建春课题组发文解释高超声速转捩与湍流边界层的壁面摩阻和热流分解的相关现象

南方科技大学力学与航空航天工程系副教授王建春课题组关于高超声速转捩与湍流边界层的壁面摩阻和热流分解的研究工作取得重要进展，相关成果以“Skin-friction and heat-transfer decompositions in hypersonic transitional and turbulent boundary layers”为题在流体力学国际权威期刊Journal of Fluid Mechanics上发表。该研究首次利用冯卡门边界层二次积分的方法对高超声速边界层转捩时壁面摩阻和热流的过冲现象的主要原因进行了解释，这为设计高效的高超声速飞行器的降热减阻技术提供了理论指导。

研究团队引入冯卡门边界层二次积分的方法，即将平均壁面摩阻和热流系数分解为边界层内的不同统计量沿法向的积分之和。若边界层内的统计量沿法向的积分有较大正值时，代表对平均壁面摩阻和热流系数有较大贡献，并借此探索转捩时壁面摩阻和热流的过冲现象背后的流动机理。

南科大学子阚哲涵提出一种新型有效的自约束人体姿态估计方法

南方科技大学电子与电气工程系2021级专业硕士研究生阚哲涵在人体姿态估计领域取得重要进展，并以第一作者身份在国际计算机视觉三大顶级会议之一European Conference on Computer Vision（ECCV 2022）上发表研究成果，提出了一种新型有效的自约束人体姿态估计方法，解决了人体姿态估计中的遮挡、泛化问题。

本文开发了一个自约束的预测验证网络，以表征和学习训练过程中关键点之间的结构相关性。在推理阶段，来自验证网络的反馈信息能够进一步优化姿态预测结果，从而显著提高人体姿态估计的性能。本工作在公开数据集MS COCO 和 CrowdPose 上取得了显著的提升，为后续的研究提供了重要的参考启发价值。

--- 南方科技大学 ---

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排版：娄金灿

设计：丘妍

编辑：杨奂彦

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