一周前沿科技盘点65丨时隔9年，“无心插的柳”已大树参天；“搭便车”回家的芯片，包含了空间站微生物的多少秘密？

北京国际科技创新中心 2023-12-01

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近日，我国科学家在电荷转移配合物热电半导体新材料设计及性能研究方面取得多项突破，这项研究源于研究团队中李小磊助理教授九年前在湘潭大学读硕士时的意外发现。地外居留舱设施微生物防控技术试验项目——培养芯片，随“神舟十六号”一起“回家”。一起来看看北京理工大学生命学院张莹课题组在这个项目上开展了哪些相关研究吧。

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，为大家带来第六十五期。

《Joule》丨时隔9年，“无心插的柳”已大树参天

[ZnBr2(Br-C6H4-NH2)2]新材料：热电性能随温度的变化及功率因子与ZT值比较图

近日，西安交通大学电子学院汪敏强教授团队的李小磊助理教授与材料学院杨冠军教授、清华大学材料学院万春磊副教授课题组合作，在电荷转移配合物热电半导体新材料设计及性能研究方面取得多项突破。

这项研究源于李小磊九年前在湘潭大学读硕士时的意外发现。当时，他在研发高稳定非铅钙钛矿光伏新材料，发现其设计的铜基材料作为光伏电池性能虽然一般，但这种材料却具备异常高的电导率和电子浓度。这引起了李小磊的注意。在后续的测试中，该材料还展现出了优异的热电性能。

以这些发现为基础，李小磊与团队开展一系列探索。2020年，他们设计制备出一种n型电荷转移配合物(Br-C6H4-NH2)2CuBr2，这种材料达到了当时有机热电材料功率因子的最高值。此后，研究团队进一步提出n型掺杂调控新策略，不断增强铜基电荷转移配合物的热电性能。近日，研究团队设计制备出一种全透明的n型电荷转移配合物[ZnBr2(Br-C6H4-NH2)2]，该材料室温下高达3797 μW m‒1K‒2的高功率因子（有机热电材料中的世界纪录值）。该材料还具备超17500小时的空气稳定性。

当年的“无心插柳”之举，经过科学家独特视角审视、坚持不懈的探索，最终竟有了如此多的收获。这段关于科学发现的经历，也鼓励广大的青年学者：细心观察和大胆尝试往往会给科学带来一些意想不到的发现和突破。

“搭便车”回家的芯片，包含了空间站微生物的多少秘密？

10月31日，神舟十六号载人飞船返回舱成功着陆，北京理工大学生命学院张莹作为项目负责人承研的地外居留舱设施微生物防控技术试验项目——培养芯片，随“神舟十六号”一起“回家”。

此前，北京理工大学自主研发了地外居留舱设施微生物检测模块，这是一台在空间条件下对微生物实施在轨微流控检测和高通量培养的装置，包括微生物检测芯片和培养芯片，为后续持续性开展空间微生物研究奠定了扎实的载荷基础。

培养芯片于9月8日至10月24日正式开启在轨科学实验，这期间，北京理工大学生命学院师生在北京航天飞控中心对实验进程进行了全程连续监控，在神舟十六号乘组航天员的协助下进行了多次天地协同操作，获得了完整遥测实验数据，在轨试验取得圆满成功。培养芯片抵达北京理工大学生命学院实验室后，经初步鉴定芯片结构及其内部微生物状态完好。后续张莹课题组将利用其开展包括代谢、育种、生态、进化等全方面空间微生物学研究，预期将为空间微生物学和空间生物技术的发展产生积极影响。

自2015年起，张莹课题组先后开展了包括空间微生物生态、检测、腐蚀、代谢等多项空间环境微生物学研究，科研成果为制定中国空间站的微生物安全防控策略与构建防控体系提供了重要的数据依据。具体看，前期采集并分析了中国空间站地面研制期间的总装测试厂房、产品及环境的微生物群落演变特征，为及时构建空间站研制期间的地面防控设施提供了依据，保障了空间站发射前舱内微生物满足医学指标要求。在空间站在轨飞行期间，全面分析了空间站在轨早期微生物群落多样性、演替特征及数量丰度，同时提出了空间站后续需要重点防控的区域及菌株。并研究了短期太空环境对微生物菌群腐蚀能力的影响，研发了多种空间微生物检测分析、清除洗消及高通量培养方法。

《Science》丨生命体与机器“无缝衔接”，靠这扇“门”就行

级联异质门控两相凝胶离电材料的结构和跨界面离子传输

水凝胶材料可以用来导电，但传输电信号的介质并不相同。一直以来，地球上的生物体主要靠离子传递电信号，但电池、超级电容器等，则通过耦合离子与电子来传输电信号。由此，生物-非生物系统之间的重要纽带作用——电子和离电器件应运而生。近年来，在神经电极、神经假体、智能可植入设备等领域，电子和离电器件有着广泛应用。然而，目前的电子和离电器件普遍存在一个局限，即它们仅具有单一电子或离子信息载体，难以容纳更多生物相容信息。如何实现多种生物离子信号的有效可控传输，关联复杂生物系统，一直是相关领域的科学难题。

受神经界面门控结构的启发，中国科学院理化技术研究所/中国科学院大学江雷院士团队教授闻利平和副教授赵紫光，共同开发了一种级联异质门控的双相凝胶离子电子器件，可以实现从电子到多种离子信号的转换和传输。

研究团队构建了具有离子富集相和连续低电导相的双相凝胶材料。与传统水凝胶离子电子器件不同，离子在异质网络中需通过跨相传输。而在这一过程中，离子经历部分去水合和再水合过程。由于不同离子的本征特性，它们的水合-去水合能存在差异。而级联异质门控界面能够放大不同离子之间跨界面传输的差异，使不同离子信号的传输产生数量级的区别。更重要的是，级联异质门控界面可根据迁移能垒进行离子传输分级，实现多离子分级和跨级传输。该研究还利用源自HBG基的离子突触的神经体液离子信号，调节了牛蛙心脏的心电活动。这一离子电子器件有望加速各种生物技术应用的发展。

《Nature Communications》丨光催化二氧化碳，合成新材料一步到位

金属Salen基共价有机框架材料制备路线示意图

光催化二氧化碳还原技术在应对气候变化、能源可持续利用和环境保护方面具有重要意义和潜在应用前景。可以利用太阳能将过剩的二氧化碳转化为高附加值化学品，如合成气、甲烷、甲酸等，有助于减少对有限的化石燃料资源的依赖。

山东大学前沿交叉科学青岛研究院邓伟侨教授团队在该领域取得进展，通过一步合成策略成功制备了一系列具备优异结晶性能的M(Salen)-COFs材料。M(Salen)-COFs是金属salen基共价有机框架材料，它能将分子催化剂异相化构筑在COFs明确的框架结构中。这种策略无须真空抽空即可获得具有可控单核和双核金属位点的M(Salen)-COFs，金属以单原子形式高度分散，且可实现克级制备。

该团队一步合成获得的M(Salen)-COFs展现出比传统两步合成更高的结晶度和催化活性。这项研究提供了一种简便、产量高且结晶性好的M(Salen)-COFs制备策略，并为高效光催化剂的构效关系研究和设计原则提供了参考依据。

《Nature Communications》丨细胞间通讯的证据，已成功“锁定”并“盖章认证”！

细胞外囊泡（EV）是由细胞释放到细胞外空间的膜性囊泡，在细胞间通讯中具有重要作用，并参与一系列生理与病理过程的调节。EV释放是一个动态过程，受机体变化、外界刺激等影响。在时间上对EV进行区分，不仅可以深入理解EV释放动力学，还有助于发现与疾病进展、药物干预相关的潜在EV标志物。然而，由于新生EV与已有EV间的高相似理化性质，导致现有分离方法难以对二者进行区分分离。

近日，厦门大学宋彦龄教授团队开发了一种基于代谢聚糖标记辅助的微流控分离策略，可以选择性地分离受外部刺激后机体新产生的细胞外囊泡。研究团队在生物体受刺激同时，通过非天然聚糖Ac4ManNAz代谢标记在新生EV上引入独特的“化学时间戳”（叠氮官能团），以区分新生EV和刺激前已存在EV；再利用鱼骨通道芯片促使液体产生混沌流动，大大提高EV和芯片捕获界面的碰撞效率，实现新生EV的选择性富集。在PD-L1免疫治疗的小鼠模型中，验证了这一策略的可行性，发现了药物治疗后新生PD-L1+EV水平与肿瘤体积的高正相关性，提示新生EV在癌症治疗免疫疗法中的重要作用。作为一种在时间维度上分析EV分泌动态变化的方法，有望应用于更广泛的EV动态变化研究，例如微生物感染、环境（温度、光照和重力）变化以及饮食变化等刺激。

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