科技快讯！三月，南大这些领域又有新突破
三月科技快讯
01
构建纳米孔道蛋白质测序新方法揭示肾素-血管紧张素系统的酶串扰效应
肾素-血管紧张素系统（Renin-Angiotensin System，RAS）通过多种酶（包括两种血管紧张素转化酶ACE和ACE2）介导的血管紧张素多肽（Ang）转化网络维持了人体的血压及电解质平衡。近日，南京大学化学化工学院龙亿涛教授团队提出了一种基于纳米孔道单分子界面的复杂体系分子时序演化研究策略。利用精准设计的生物纳米孔道单分子界面，以及针对性开发的单分子快速定量方法，采用自主研制的微弱电流测量装置，通过高通量逐个识别多组分系统中单个氨基酸差异的血管紧张素系列肽，实时监测了血管紧张素多肽的动态演化过程。
该研究提供了从单分子层面阐明复杂体系多组分分子时序动态演化的新方法，揭示了肾素-血管紧张素系统中ACE、ACE2之间的串扰效应，开辟了纳米孔道单分子组学新方向。
纳米孔道精准识别血管紧张素系列肽单氨基酸差异识别
02
在光催化还原二氧化碳转化高附加值碳氢化合物取得新进展
南京大学物理学院环境材料与再生能源研究中心邹志刚院士和周勇教授研究团队在原子级厚度的单层Ti0.91O2纳米片上植入了Cu单原子，实现了高效、高选择性光催化二氧化碳（CO2）还原至丙烷（C3H8）。
以太阳光为驱动，在半导体催化剂的作用下，将CO2转化为太阳能燃料，是一种高效清洁的能源转化技术，为实现“碳达峰、碳中和”目标提供了一项可行的思路。此外，这项技术还有望应用于地外人工光合成，利用太空舱密闭环境中的废弃CO2，或地外天体环境中丰富的CO2资源，原位、快速、可控地将二氧化碳转化成为氧气和含碳燃料，可大幅度降低载人航天器的物资供应需求，支撑可承受、可持续的载人深空探索。
CO2还原反应机理研究（a）Cu-Ti-VO/Ti0.91O2-SL催化剂上光催化CO2还原的原位DRIFTS图谱；（b）Ti0.91O2基体（c）Cu-O位点；（d）Cu-Ti-VO单元区域CO2还原的吉布斯自由能图线
03
预言冰巨星内部存在超离子态氧化镁水合物
近日，南京大学物理学院孙建教授、王慧田教授、邢定钰院士，以色列开放大学Allona Vazan博士，剑桥大学Chris J. Pickard教授等人，预言氧化镁水合物的超离子相可能是天王星与海王星内部的重要组成部分，并为天王星与海王星的磁场起源与低亮度之谜提供了新的解释。其中新发现的富含水分的MgO4H6化合物可能是地球形成早期的储水介质之一。
研究水与岩石矿物在高压下的混合与反应具有重要意义，因为太阳系内外的诸多行星内部都富含水与岩石。天王星和海王星因为距离太阳很远，温度较低，而其内部又有大量含水物质，因此被称为冰巨星。目前，关于冰巨星还存在许多未解之谜，例如其多极磁场的起源、天王星的低亮度等。行星内部物质的结构、物态和性质是解决这些谜题的关键信息。
理论预言的天王星海王星内部结构
04
发现植物发育的表观遗传调控新机制
SE编码C2H2锌指蛋白，是植物中miRNA形成途径中的关键基因。然而，相对于被广泛报道的SE功能的重要性，关于SE在植物生长发育不同时期及抗病抗逆时的作用方式及调控模式仍然未知。南京大学生命科学学院孙博教授团队长期从事表观遗传调控植物发育研究。本工作首先从SE的3’端鉴定出一个反义长链非编码RNA SEAIRa，在拟南芥生长发育过程中与SE呈相反的表达模式。超表达SEAIRa会导致SE下调表达，而敲低或者敲除SEAIR会导致SE上调表达。因此SEAIRa是SE的负调控因子。
该研究揭示了一种由结合在染色质上的lncRNA SEAIRa介导的表观遗传抑制新机制。研究结果一方面拓宽了植物中lncRNA的作用机制，也阐述了在植物生长发育过程中发挥重要作用的SE的调控机制。
SEAIR调控SE的作用机制
05
钙钛矿材料用于仿天然光健康照明
固体白光LED被认为是21世纪新一代的环保节能光源。然而，拥有诸多优点的LED却为人类健康带来了深刻隐患。为实现下一代高质量"全光谱"固态白光照明，目前行业的难点是开发一种能"移山填海"，即同时解决"蓝光溢出"和"青光缺失"这两大行业痛点的仿天然光的"全光谱"照明灯具。
南京大学现代工程与应用科学学院邓正涛教授团队多年来一直致力于新型钙钛矿量子点材料的基础研究和产业化应用。特别是在白光LED方向，针对发光材料在实际应用中的瓶颈问题，在提升材料的性能和稳定性方面取得了新进展。该材料制备的波长转换光学膜表现出良好的耐强光辐照、耐水氧和耐高温稳定性，成本也较为低廉。该种光谱转化膜可以有效解决目前照明灯具中"蓝光溢出"和"青光缺失"这两大瓶颈问题。
《Advanced Functional Materials》的扫描透射电子显微镜照片，一系列青光发射量子点样品的光谱图和光学膜片样品的荧光照片，典型蓝光LED激发白光灯具的发射光谱图，以及使用青光转换光学膜后的白光灯具发射光谱图，以及天然光光谱图。从上可见，使用光学膜后的灯具的发射光谱呈现平滑均匀连续分布的白光，没有出现"蓝光溢出"和"青光缺失"，接近天然光。
06
原子视角透视低温电解液的进展与问题
近日，南京大学现代工程与应用科学学院郭少华教授、周豪慎教授团队从电解液中阳离子、阴离子和溶剂之间的基本相互作用出发，介绍了温度对电解液中基本相互作用及相应理化性质的影响。然后，依据四种相互作用的关系，从原子视角系统总结并分析了低温电解液的研究进展，展望了未来低温电解液的新研究方向。最后，指出了低温电解液发展面临的挑战，并提出了相应的解决方案。
目前，电化学储能器件差的低温性能是限制其在日常生活乃至更恶劣环境中应用的主要问题。低温电解液的设计被认为是解决上述问题的最有潜力的关键技术。从内在机理上全面综述低温电解质的研究进展和存在的问题具有重要意义。
分别在室温和低温电解液中阳离子-溶剂-阴离子之间的的（a）"三角"和（b）"四角"基本相互作用示意图及其相关的构效关系。
07
在植物萜类代谢研究中再次取得突破
萜类是自然界中种类最多的天然产物。一些萜类化合物与植物的生长发育或环境适应有关。很多萜类化合物还是重要的药用成分。在这些化合物的合成途径中，其链长受到不同异戊烯基转移酶的决定。
南京大学生命科学学院卢山教授团队的研究描述了植物在进化中由GGPPS逐渐获得GPP合成能力，并最终形成GPPS的过程，并且利用分子动力学模拟等手段解析了决定产物链长的两个氨基酸位点。通过对来自不同物种的一系列GGPPS的功能鉴定，他们发现在蓝细菌和藻类植物中，GGPPS通常只能专一地合成GGPP。与此同时，在苔藓植物中还出现了由GGPPS向无催化功能的小亚基蛋白的分化。
植物GPPS的进化途径
08
二维存算一体器件实现AI训练-推理一体化
目前，发展高能效的类脑计算器件和架构势在必行。受大脑存算一体特征的启发，存内计算架构近年来蓬勃发展，显著降低了“冯诺依曼”架构中数据传输的能耗与延迟，大幅提高了计算并行度和能效。在此基础上，更高维度的需求——训练和推理一体化，即“学”和“用”在同一硬件上实现，被认为是通向智慧终端的核心挑战。
近日，南京大学电子科学与工程学院王欣然教授团队与清华大学吴华强教授团队合作，提出基于二维半导体铁电晶体管的新型存内计算器件架构，通过调节铁电势阱，实现了同时满足AI训练和推理需求的底层器件，并展示了高达103 TOPS/W级别的能效潜力。该成果突破了边缘端人工智能硬件的关键瓶颈之一。
推理和训练过程对于存储器性能的不同要求
09
实现非局域的多光子量子干涉
量子纠缠是指两个或多个粒子之间存在的一种非局域的量子关联。长期以来，纠缠被认为是产生非局域性及非局域多粒子干涉的必要条件。
近期，南京大学物理学院马小松教授、祝世宁院士团队实现了一种新型的非局域量子干涉。与以往纠缠多光子参与的非局域干涉不同，在该工作中，光子的各个自由度之间均不存在纠缠。实验中，该团队只对光子的分离态进行调控和测量，成功实现了非局域量子干涉。该团队还进一步利用未探测光子的相位变化，调控其余被探测光子的量子干涉，展现出与基于纠缠的非局域干涉迥然不同的特性。该工作赋予了我们对非局域干涉来源的新认知，并有望在量子增强的生物成像与遥感技术等方面有重要应用。
未探测光子的多光子量子干涉实验。a. 四光子阻挫干涉实验方案 b. 四光子阻挫干涉实验设备示意图
10
开发首个基于遗传密码扩展的“可点击生物纳米孔”
单分子检测技术是一种可快速且简单地鉴定低浓度分子的理想方法。生物纳米孔作为一种易改造的单分子检测工具，广泛用于识别各类分子。那么是否可以开发一种"可点击"的生物纳米孔，赋予纳米孔新的功能呢？
近日，南京大学化学化工学院黄硕教授课题组和谢然教授课题组合作在《德国应用化学》期刊报道了利用遗传密码扩展技术快速、有效地将生物正交反应基团引入到耻垢分枝杆菌膜蛋白A (MspA) 纳米孔顶端，并展示了单链DNA或溶菌酶与MspA的偶联。野生型MspA纳米孔是天然的八聚体，作者利用正交性的氨酰tRNA合成酶/tRNACUA将含有叠氮基团的非天然氨基酸AzK引入到MspA的特定位点（D56），并通过凝胶电泳、质谱分析以及单通道电流表征，证实含有叠氮化物的八聚体M2 MspA-D56AzK已被成功制备。
MspA中位点特异性引入非天然氨基酸
11
揭示无退极化场下的铁电尺寸效应机制
大数据、云计算、物联网等新兴数据技术与应用的迅猛发展对信息存储容量、读写速率和功耗等方面提出了更高的要求，而钙钛矿铁电氧化物因其亚纳秒级的铁电极化翻转速度以及超低的功耗成为开发新一代高性能存储器件的重要候选材料体系。
近日，南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授课题组与吴迪教授课题组合作，利用自支撑SrTiO3薄膜在单轴拉伸应变调控下获得的纯面内极化，研究了其面内铁电稳定性与膜厚的依赖关系。从实验上揭示了无退极化场时铁电尺寸效应依然存在的规律，显示了偶极-偶极相互作用在铁电相变中的重要作用。此研究为深入理解铁电尺寸效应提供了新的见解，也为后续铁电器件的设计提供了重要理论指导，在基础研究和实际器件应用方面都具有重要的意义。
a) 自支撑SrTiO3薄膜的单轴应变调控装置；b) 不同厚度自支撑SrTiO3薄膜的XRD 2θ-ω 曲线；c) 单轴应变固定为1.8%时，压电力显微镜（PFM）表征畴结构随厚度变化的依赖关系。
12
研究揭示全球沙漠变化过程
最近，我国北方沙尘暴活动强烈，影响区域环境和人们的生产生活，受到广泛关注。沙漠环境是决定沙尘暴频率和强度的重要因素，有关全球沙漠变化的研究亟待加强。
围绕上述科学问题，南京大学地理与海洋科学学院鹿化煜教授课题组，开展了全球沙漠变化规律和驱动机制的研究。他们基于卫星相片遥感解译、全球土地类型数据集、全球气候变化数据集和气候数值模拟等资料和技术，首先建立了2015年全球土地类型、沙漠面积和气候要素的定量关系。基于这一定量关系，他们把1982-2020年的气候干旱指数，转换成沙漠面积变化的时间序列。相关性分析表明，1990年代陆地降水的增加是沙漠面积减小的重要原因，温度和湿度的增大也有利于增加水汽和降水量，进而使沙漠面积缩小；在不同区域风速对沙漠变化的影响有差异。
1982-2020年全球沙漠面积变化
13
在铁磁钌酸锶超薄膜中实现光致Mott相变
光作为一种调控手段在量子材料中可诱导出多种新奇的量子现象，孕育着新一代电子信息器件的潜在应用。钌酸锶SrRuO3是一种典型的具有钙钛矿结构的4d关联氧化物电子材料。当SrRuO3薄膜外延生长在SrTiO3（001）晶向的单晶衬底上，且厚度精准控制在几个单胞层时，会首先出现金属-Mott绝缘体转变现象，也称“电学死层”行为。而要消除这一现象，目前仍然存在着极大的挑战。
针对上述挑战，南京大学电子科学与工程学院王学锋教授、张荣教授团队在低温强磁场输运系统中引入常规单色光源（波长可在300至800纳米波段间连续可调），提出在关联氧化物异质界面利用原位的光学手段来测量光激发下磁电输运特性的策略。该工作为在低维关联电子体系中发现更多新型量子相（如非常规超导）和室温铁磁性提供了新的途径，也为低维关联电子体系在自旋光电器件中的应用开发打开了新的思路。
光致电荷转移及缺氧的SrRuO3-δ界面层显微表征。（a）异质结界面光致电荷转移示意图。（b-i）缺氧的SrRuO3-δ界面层和不缺氧的SrRuO3上层显微电镜表征。（j,k）SrRuO3-δ/SrTiO3异质结在有无光激发下的态密度示意图，显示了光激发下Mott绝缘体-金属转变行为。（l）波长依赖的光致电阻变化。
14
报道免疫分析新方法
设计和制备具有分子识别和信号放大的多功能微纳米载体是构建高性能传感器的重要基础。如何构建合成简单、反应条件温和、负载效率高的多功能载体，对于发展高性能的生物传感器具有重要意义。
南京大学生命科学学院李根喜教授团队研发了一种以工程化大肠杆菌作为控释生物载体的电化学免疫分析新方法。通过构建split-type型传感器，实现了对蛋白质HER2的灵敏分析。与传统的基于微纳米载体的电化学免疫传感器相比，这种基于EcHER2的split-type分析策略具有以下优点。（1）制备过程简单，安全性高，绿色环保，应用潜力大。（2）EcHER2实现了电活性分子和靶标识别分子的高效负载，简化了方案设计。（3）免疫识别过程和电化学分析独立进行，避免了电极界面的生物干扰，使得检测更加高效可靠。
基于工程化大肠杆菌的电化学免疫传感器示意图
15
借助热处理实现对自支撑铁电薄膜压电性的大范围调控
随着电子设备高集成、小型化的发展，人们迫切需要研究具有优异压电性能的低维材料，并将其应用于高性能微纳米机电系统(M/NEMS)的设计与开发。自支撑钙钛矿氧化物铁电薄膜由于脱离了衬底的束缚，有望在低维材料中获得数值更高且范围可调的纵向压电系数。
近日，南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授课题组与北京理工大学宇航学院洪家旺教授课题组合作，借助热处理方法在自支撑PbTiO3（PTO）铁电薄膜中实现了多种不同的铁电畴结构（c畴、c/a混合畴、以及a1/a2畴），并因此获得了纵向压电系数d33的大范围调控。该工作为调控和增强低维钙钛矿材料的压电性能提供了一种新的途径，并展示了在低维柔性传感器和致动器等方面的广阔应用前景。
退火速率对自支撑薄膜中铁电畴结构及其压电性的调控
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发展力学拉曼光谱技术
纳米尺度界面的力学相互作用携带了原子级界面结构、热传导和光电特性等关键信息。如何有效地获取并应用这一类信息，目前尚未有较好的解决办法。
针对以上挑战，南京大学化学化工学院徐伟高教授、谢代前教授团队与中国科学技术大学罗毅、复旦大学段赛等团队展开合作，从样品振子和局域等离激元光腔的光力学耦合作用出发，提出了力学拉曼光谱技术（mechano-Raman spectroscopy, MRS），建立了力学拉曼散射技术的理论模型和实验方法。该技术有望应用于晶体全局结构表征、机械振动传感和光的机械调制，并为实现从晶格振子到纳米材料的量子化能量传递等量子光学领域研究提供了新的思路。
MRS技术的原理与实验方法
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来源：科技处
编辑：刘雨璇 邱子涵
审校：宗 和
责编：李烨婧