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一周前沿科技盘点52丨“软硬兼施”的生命科学技术已获跨学科应用；“我要一眼望穿百亿光年！”“从今天起，我们来负责擦亮你的眼眸”
软物质和生命物质力学是物理学的一个新分支、前沿方向。中国科学院力学所非线性力学国家重点实验室研究团队通过实验得到了软物质与生命物质应力松弛的统一性表述，为探究一系列生命物质的力学特性与生理病理的关联提供实验框架与理论模型。近期，国家重点研发计划“重大科学基础设施FAST运行维护作业机器人系统”项目通过科技部验收，用“中国智造”为构建人类命运共同体贡献了“中国智慧”，这也标志着“中国天眼”步入智能机器人运维时代。有哪些机器人在大显身手，为FAST不断擦亮眼眸呢？一起来看看吧。
基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第五十二期。
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《Soft Matter》 丨“软硬兼施”！这项生命科学技术已获得跨学科应用
Soft Matter封面论文
手机膜、化妆品、电脑屏幕、橡胶手套、泡泡糖……这些我们日常生活中再熟悉不过的东西都有一个共性——它们都是软物质。较金属、陶瓷、玻璃等“硬物质”而言，软物质可以是聚合物、液晶、表面活性剂、胶体、乳状液、泡沫、颗粒物质等，它们由比原子大得多的结构单元构成，而且具备柔性，介乎固体液体之间，因此力学性质很复杂。而人体，从细胞到器官这些构成生命的基本单元也都是由软物质组成的。总之，套用亚里士多德的名言“整体大于部分之和”来形容软物质，再合适不过了。软物质和生命物质力学是物理学的一个新分支、前沿方向。生命体不同层级力学表征及其力学调控规律的研究不仅是揭示生命活动奥秘的前沿基础，而且是发展现代生物医学工程、服务人类健康的重大需求。但细胞、组织等生命物质的力学性质极为复杂，兼具流体黏性和固体弹性，在不同的空间和时间尺度上表现出截然不同的力学行为。中国科学院力学所非线性力学国家重点实验室研究团队利用原子力显微镜技术，发现琼脂糖水凝胶的应力松弛在微米尺度上具有从短时间段多孔弹性指数松弛到长时间段黏弹性幂律松弛的转折特征。水凝胶等软物质材料，材料属性与细胞、组织等生命物质相似并相对可控，同时，其作为细胞外基质其力学性质对调控细胞和组织的生物学功能至关重要。团队通过实验得到了软物质与生命物质应力松弛的统一性表述，为探究一系列生命物质的力学特性与生理病理的关联提供实验框架与理论模型。相关实验技术已应用于生物相分离液滴的界面力学特性及细胞与胞外基质力学相互作用等跨学科交叉合作研究之中。
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“我要一眼望穿百亿光年！”“好的，从今天起，我们来负责擦亮你的眼眸”
我国的重大科学基础设施之一 “中国天眼”FAST（500米口径球面射电望远镜）是当今世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜，它能捕捉宇宙中的微弱信号，探测更暗弱的天体。自2020年通过国家验收、投入使用以来，FAST已发现800余颗新脉冲星，它在快速射电暴与物理机制、中性氢宇宙研究等领域为科学产出起到了重要的支撑作用。随着运行效率和质量的不断提高，今年以来FAST进入爆发期，连续发布重磅成果，使我国保持了低频射电天文学方面的国际领先地位。据统计，目前，FAST每年运行机时超过6200小时，已经建立起完整的用户服务链条。这背后，是运维团队日夜不停、风雨兼程的呵护与支持。近期，国家重点研发计划“重大科学基础设施FAST运行维护作业机器人系统”项目通过科技部验收，用“中国智造”为构建人类命运共同体贡献“中国智慧”，这也标志着FAST步入智能机器人运维时代。在FAST的反射面上分布的2225个激光靶标，是其控制系统的重要组成部分，宛如反射面的“眼睛”，需要定期维护和更换。然而，反射面由厚度仅为1mm的铝板构成，难以承受一个正常成年人的重量。中国科学院自动化研究所景奉水课题组与中国科学院国家天文台、贵州射电天文台联合研制的反射面激光靶标维护机器人，有力解决此前存在的高危作业风险隐患、人工维护效率低下、气候条件制约观测等问题；馈源接收机精密、机体体积重量大，如多波束馈源接收机和下平台直径为3.2米，重量2.5吨，使得人工拆装运输复杂度高，运维技术难度大。馈源接收机拆装机器人的研制任务由中国航天科工航天江南航天控制牵头承担，项目团队创新性采用多机械臂协同与自主避障的螺栓拆装技术、大负载高精度柔性对接技术，助力馈源接收机拆装机器人顺利通过第三方测试。
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《Nature Protocols》丨放大再放大！成像分辨率提高近一个数量级
激光作为最常用的采样工具之一，被广泛应用于多种质谱成像技术，并形成了成熟的商品化仪器，如LA-ICP-MS等。但由于光学衍射极限、透镜像差以及需要较长的光学聚焦距离等限制，使用激光采样的质谱成像的空间分辨率局限在微米级别。这使得激光质谱很难在微纳样品的分析中发挥作用。现在少有的高空间分辨激光质谱成像技术大多依赖于复杂且昂贵的光束整形设备或近场光学技术，很难形成普适性的方法并推广至更多的激光质谱成像平台。厦门大学化学化工学院杭纬教授课题组在2020年首次研发出了基于微透镜光纤的激光采样技术。近日，该课题组与斯坦福大学Richard Zare教授课题组合作，通过将微透镜光纤与商品化的ICP-MS相结合，课题组将LA-ICP-MS的空间分辨率提高至400 nm，相比于现有的技术提高了至少一个数量级，并进行了单细胞和小鼠小肠组织的成像分析。通过引入157 nm的后电离激光和基于嵌入式均匀圆形聚苯乙烯微球的三维定位方法，微透镜光纤带来的高空间分辨能力可用于准确重构还原药物在单细胞内的三维分布，空间分辨率可达500 nm。斯坦福大学的Richard N. Zare课题组将微透镜光纤与商品化仪器平台相结合，将现有的LA-ESI-MS成像分辨率提高了近一个数量级。
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《Aggregate》丨“三明治”异质核壳纳米晶：一种有前途的发光材料
稀土硫氧化物纳米晶体因其独特的光学性能，在多模生物成像、纳米闪烁体、光催化等前沿领域具有广阔的应用前景。然而，由于硫的易挥发性以及表面荧光猝灭效应，导致该类材料受限于发光效率低的瓶颈。核壳包覆是提高稀土纳米晶发光效率的一种有效方法，但由于稀土硫氧化物的层状生长习性以及稀土离子与S2–、O2–的亲和力差异，传统的同质核壳包覆无法有效提升稀土硫氧化物纳米晶的发光性能。如何制备单分散兼具高效发光的稀土硫氧化物纳米晶仍是稀土发光领域一个亟待解决的难题。近日，中国科学院福建物质结构研究所陈学元团队郑伟、黄萍研究员等提出了一种稀土硫氧化物/氟化物的新型异质结构设计，实现了稀土掺杂Gd2O2S@α-NaYF4异质核壳纳米晶的可控制备和高效发光。该核壳纳米晶是由α-NaYF4沿Gd2O2S的(001)晶面外延生长生成“三明治”夹心结构，夹心层为Gd2O2S，外层为α-NaYF4。通过掺杂不同的稀土离子，该新型异质核壳纳米晶可实现单一波长激发下稀土离子的高效多色上转换和下转移发光。其中，Gd2O2S: Yb3+/Tm3+@α-NaYF4的上转换发光强度相比于Gd2O2S: Yb3+/Tm3+增强了~209倍。
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《Environmental Science & Technology》丨格局打开，不止于电能替代
电能替代，即“以电代煤、以电代油、以电代气”。在清洁能源为主导的未来能源图景中，“电能替代”将成为浓墨重彩的一笔。国网能源研究院数据显示，2025年前电能将取代煤炭在终端能源消费中的主导地位，2050年电气化率超过50%，2060年电气化率有望达70%。近期，北京理工大学王兆华教授团队与英国伯明翰大学单钰理教授团队合作发现，电能替代能否真正实现CO2的减排，很大程度依赖电力结构的清洁化程度。具体来说，研究团队自主研发了基于政策导向的SEED-TPM交通部门电能替代模型，采集并制备了多部门电能替代技术详细参数。他们将SEED-TPM模型与国际上权威的GCAM模型进行耦合，将SSP（Shared Socio-economic Pathways）情景与电能替代政策指标和技术参数相结合，构建了中国化电能替代SSP情景，并探究了各交通部门不同电气化水平带来的直接减排效果和跨部门间接排放影响。该研究建议，在大力推行电能替代政策的同时，还需实施多种组合政策，如匹配、提前实现能源供应部门的清洁化，减排将会更好地发挥其作用。
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