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近期，西安交大科研人员在细胞生物力学、精神分裂症肠道—免疫—脑轴新机制、锂金属电池、随机散斑光场调控、锂硫电池、实验室天体物理、多孔介质孔隙尺度输运过程、等离激元光热材料、时空高分辨酶微区域放热检测、二维磁性半导体、合金固态相变、气候变化与长江下游文明演化、变换光学、分子选择性富集与增强光谱检测、函数型数据分析等领域取得重要进展。
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｜内容速览｜
1、西安交大研究人员在细胞生物力学领域取得新进展
2、西安交大科研人员发现精神分裂症肠道—免疫—脑轴新机制
3、西安交大科研人员调控锂枝晶生长界面助力长循环锂金属电池
4、西安交大科研人员在随机散斑光场调控研究领域取得新进展
5、西安交大科研团队在锂硫电池领域取得新进展
6、西安交大与四川大学联合研发ECMO进入临床阶段
7、西安交大科研人员揭示液滴融合过程中的类生命生长行为
8、西安交大科研人员在实验室天体物理研究领域取得重要进展
9、西安交大科研人员在多孔介质孔隙尺度输运过程研究方面取得系列进展
10、西安交大科研人员在等离激元光热材料领域取得进展
11、西安交大研究人员在时空高分辨酶微区域放热检测方面取得重要进展
12、西安交大科研人员在二维磁性半导体领域取得重要进展
13、西安交大和浙江大学合作在合金固态相变领域获得重要进展
14、西安交大科研人员在气候变化与长江下游文明演化方面取得重要进展
15、西安交通大学科研人员在变换光学领域取得重要进展
16、西安交大科研人员在分子选择性富集与增强光谱检测领域取得重要进展
17、西安交大科研人员在函数型数据分析研究领域取得新进展
#01
西安交大科研人员
在细胞生物力学领域取得新进展
发表期刊
《自然通讯》
（Nature Communications）
内容摘要
间充质干细胞是一种多能干细胞，有着易获取、可分化为多种细胞类型（包括神经元、成肌细胞、脂肪细胞、成骨细胞）等优势，在再生医学中有着广泛的应用。在这些应用中，间充质干细胞需要经历从体外扩增到体内移植的过程，其所处的力学环境会发生显著变化。如细胞外基质的刚度从扩增板的GPa量级到体内组织的百Pa~千Pa量级。而力学环境的改变显著影响间充质干细胞的分化方向：硬基质会诱导其趋于成骨分化，软基质则诱导其趋于脂肪分化。此外，干细胞在新环境中的分化行为会表现出对过往力学微环境刺激的时间依赖性。而干细胞通过细胞膜上力学敏感受体感知这种力学环境的变化及其时间依赖性的机理还鲜为人知，限制了间充质干细胞在再生医学中的应用。
整合素、钙黏素力敏感受体与配体的力学结
近日，西安交通大学生命学院仿生工程与生物力学研究所林敏教授课题组通过引入整合素受体（介导细胞-基质力学相互作用）和钙黏素受体（介导细胞-细胞力学相互作用）的力学拮抗效应，部分逆转了在硬基底上已经分化了的间充质干细胞。实验结果发现，在硬基底上间充质干细胞的转录激活因子（YAP）会在细胞核内累积，而转到软基底后，在基底上锚定的HAVDI多肽与钙黏素受体的力学结合作用下，YAP核质比会显著降低，即细胞核内YAP的累积以及相关的成骨分化标志物可以被HAVDI与钙黏素受体的力学结合所逆转。针对此现象，课题组建立了基于细胞力敏感受体黏附拮抗效应的转录因子重定位模型，提出钙粘素通过拮抗整合素黏附，引致细胞骨架应力卸载，从而恢复了核的弹性变形，导致核孔收缩、YAP主动入核速率下降，最终导致YAP重定位，从而产生了干细胞分化的逆转现象。这项工作表明，力学效应可为调控间充质干细胞的力学感知和干性逆转/维持过程提供新途径。
基于细胞力敏感受体黏附拮抗效应的转录因子重定位模型
文章作者
西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室为该论文的第一作者单位和通讯作者单位，博士生张诚和助理教授朱鸿源博士为第一作者，林敏教授为唯一通讯作者。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26454-x
林敏教授主页链接
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/minlin
#02
西安交大科研人员
发现精神分裂症肠道—免疫—脑轴新机制
发表期刊
《分子精神病学》
（Molecular Psychiatry）
内容摘要
精神分裂症是一种致残率高的精神疾病，其终身患病率约为1%，虽然其发病机制尚未完全阐明，但外周免疫系统在疾病发生发展中的作用越来越受到关注。免疫失调被认为是精神分裂症的一种持续的病理生理学现象，而不仅是疾病发展的结果。流行病学研究也证实，生命早期感染以及自身免疫性疾病会导致精神分裂症风险增加。然而，尽管免疫改变与精神分裂症之间的因果关系已被研究了数十年，但免疫激活的起源及持续的原因仍不清楚，其中一个重要的原因是缺乏合适的体外模型来探索免疫细胞生理学的功能改变。外周血单个核细胞（PBMCs）已被证明与脑组织具有很多共同特征，使其成为合适的中枢神经系统病理体外模型。
该研究系统比较了精神分裂症患者和健康对照外周血单个核细胞（PBMCs）对细菌、真菌和微生物配体等十种病原刺激剂的免疫响应，揭示了精神分裂症患者PBMCs对病原体刺激的异常细胞因子反应模式。该研究发现，十种病原体或微生物配体刺激后，同一类型刺激剂诱导的细胞因子具有更明显的相关性。此外，在健康对照中单核细胞来源和T细胞来源的细胞因子形成相对独立的两簇；而在精神分裂症患者中，这两簇间的区别明显降低，细胞因子之间的许多相关性减弱甚至消失。
值得注意的是，精神分裂症患者的PBMCs在微生物产物胞壁酰二肽（MDP）刺激后产生的细胞因子水平显著低于健康对照，此外患者血清中MDP水平升高并且与疾病的病程正相关的结果，表明了随着疾病进展患者体内细菌易位增加，免疫反应减弱。这也提示MDP可能是精神分裂症患者免疫激活的上游介质之一，由MDP引起的低水平炎症可能导致肠道屏障通透性的改变以及微生物产物进入外周循环，并产生潜在交互作用。
该研究对MDP刺激前、后精神分裂症患者和对照组PBMCs细胞进行了单细胞转录组测序，发现MDP刺激后精神分裂症患者的各免疫细胞亚群中，抗病毒和炎症程序普遍受到抑制，趋化因子/细胞因子—受体相互作用网络受损。该研究描绘了精神分裂症患者免疫功能受损的分子和细胞基础，并提出先天免疫损伤、病原体清除减少、精神分裂症发展过程中增加的细菌代谢产物易位和先天免疫反应钝化之间的相互作用，为精神分裂症患者的全身免疫激活、神经炎症和大脑异常的病理机制提供了新的视角和理论依据。
文章作者
西安交大2018级博士高媛、范雅娟为论文第一作者，马现仓、朱峰为论文通讯作者，西安交通大学第一附属医院为唯一署名单位。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41380-021-01362-0
#03
西安交大科研人员
调控锂枝晶生长界面助力长循环锂金属电池
发表期刊
《德国应用化学》
（Angew. Chem. Int. Ed.）
内容摘要
电动汽车和无人机市场的快速增长，促使研究者开发更高能量密度、功率性能和长循环寿命的二次电池。锂金属的高理论比容量(3860 mAh g-1)和低电化学电位(-3.040 V vs.标准氢电极)，使其成为最理想的负极材料之一。然而，锂金属负极在实际应用方面仍面临着严峻的挑战。由于锂金属负极在重复的循环过程中，表面能高的位点容易引起锂的不均匀沉积生长(枝晶的形成)，导致电池内部短路和热失控等严重事故。近年来，通过修饰负极/隔膜界面，如复合锂负极、调整电解液组成和添加剂等方法来抑制枝晶生长，取得了一定的成效。
针对这一问题，化学学院丁书江教授课题组提出了一种疏导锂枝晶生长的策略，使发生锂枝晶生长的主要界面从负极/隔膜界面转移到集流体侧界面，从而保护了电池隔膜，延长了电池循环寿命。最终，该锂金属复合电极结构在磷酸铁锂/锂金属全电池应用中表现出优异的循环稳定性(1000次循环后，容量保持率高达94%)。该工作为探索锂金属负极的实际应用提供了一种简单有效的新策略。
文章作者
论文第一作者为西安交大化学学院博士生毛恒，通讯作者为西安交大化学学院丁书江教授。
论文链接
https://doi.org/10.1002/anie.202105831
#04
西安交大科研人员
在随机散斑光场调控研究领域取得新进展
发表期刊
《物理评论快报》
（Physical Review Letters）
内容摘要
当激光从粗糙表面，诸如纸或者墙面上反射时，注视着反射光的观察者会看到尺寸细微的复杂颗粒图样，这种颗粒结构被称为“散斑”，其来源于反射表面的随机粗糙特性。通常，这些散斑光场的振幅空间分布满足瑞利统计，并且随着光场的传播（即衍射）会发生明显的变化。
在之前的研究工作中，人们能够相互独立地调控散斑光场的统计性质或衍射性质。通过调控产生散斑的粗糙表面上不同面元之间的关联，可以使得光场的振幅满足非瑞利统计分布，这种散斑被称为“非瑞利统计散斑”，如图1(a)所示。但是这种散斑的非瑞利统计分布只能存在于特定的传播位置，无法在较长的一段传播距离内保持；也可通过调控产生散斑的粗糙表面的形状，使得散斑光场在较长的一段传输距离内保持相同的空间强度分布，这种散斑被称为“无衍射散斑”，如图1(b)所示。但是这种散斑的统计分布无法被调控，所得到的散斑光场振幅始终满足瑞利统计分布。实现对散斑光场统计性质和衍射性质的同时调控一直是一个科学难题。
西安交大李福利教授团队及其合作者首次提出了一种可以实现散斑光场统计与衍射性质同时调控的方法。首先利用一个形状为环形振幅分布的模板对随机相位屏进行滤波，在该模板的远场可以得到无衍射散斑；在此基础上，打破相位随机分布的独立性，引入相位屏不同面元之间的关联，使其满足中心反对称分布，就可以在随机相位屏的远场得到无衍射的非瑞利统计散斑，从而使散斑在传播过程中保持空间强度分布和非瑞利统计特性，如图1(c)所示。进一步对环形模板表面的相位分布进行优化设计，成功实现了同时具有非瑞利统计分布特性和无衍射特性散斑光场的调控。
图1 (a)非瑞利统计散斑；(b)无衍射散斑；(c)无衍射非瑞利散斑。
无衍射非瑞利散斑的诸多特性使得其在原子物理、量子输运和光学成像等领域有广泛的应用。该散斑在空间内可以构成一个统计性质可调的随机波导阵列，这种波导阵列为基于冷原子的量子模拟提供有效的光学操纵手段；散斑的无衍射特性和高对比度也可以被用于关联成像，从而同时提高关联成像的景深和对比度。利用这种新型的无衍射非瑞利散斑，作者进一步研究了其在安德森局域化方面的应用，发现这种新型的散斑可以被用于研究光局域化，其统计性质可以有效增强光局域化，为安德森局域化现象的研究提供了新方法。
文章作者
西安交通大学物理学院是第一完成单位，西安交通大学物理学院刘瑞丰副教授为文章第一作者，2017级物理实验班本科生庆秉承完成了散斑光场调控的实验和数值模拟工作，为该文章共同第一作者，通讯作者为陈守谦教授和李福利教授。
论文链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180601
#05
西安交大科研团队
在锂硫电池领域取得新进展
发表期刊
《先进功能材料》
（Advanced Functional Materials）
内容摘要
锂硫电池具有理论能量密度高、成本低廉等优点，在动力汽车，无人机，规模化储能等领域有重要的产业应用前景。然而，锂硫电池的产业化仍然面临循环寿命、安全性和实际输出功率低等难题。硫正极在循环过程中产生的中间产物多硫化物的溶解和流失是电池失效的“罪魁祸首”，尤其是在高硫负载量和贫电解质条件下。在锂硫电池正极一侧引入催化剂，加速多硫化物氧化还原反应，是缓解“穿梭效应”的有效手段之一。少层磷烯纳米片是由于其大的层间距（约3.08 Å）、高亲硫性、高催化活性和低密度（2.69 g cm−3）等特性被认为是理想的硫正极材料。然而，少层磷烯纳米片有限的导电性（半导体特性）和不稳定性（快速氧化和降解）严重阻碍了其潜在应用。因此设计合适的具有协同功能的2D/2D异质结构是调整材料特性并为锂硫池提供新功能的关键，并要充分探索其内在的协同相互作用并加深理解扩大基于少层磷烯纳米片的异质结构的应用领域的机制。
针对上述问题，西安交通大学化工学院唐伟教授团队、上海理工大学彭成信教授和温州大学侴术雷教授合作，联合报道了一种在磷烯/石墨烯异质结构包覆纳米硫的牢笼结构作为硫正极。该二维磷烯/石墨烯异质结构有以下优点：直接接触使界面面积大，加速离子和电子迁移；石墨烯防止黑磷在制备和循环过程中发生结构和化学降解；电化学分析和理论计算表明磷烯较低的费米能级促进电子间相互作用，诱导电子从石墨烯到磷烯的迁移，有利于多硫化物的吸附和转化。得益于这些优异的特性，该复合硫正极在6.1 mg cm-2的高硫负载和5.7 mL g-1的低电解液/活性硫比下具有5.57 mAh cm-2的高面容量。
该工作展示了一种设计适用于贫电解液下硫正极的新策略，为解决多硫化物穿梭问题提供了新方法。
文章作者
西安交通大学化学工程与技术学院为本文的第一通讯单位，第一作者为西安交通大学周江奇博士生，丹麦技术大学武甜甜博士为共同第一作者。通讯作者为西安交通大学唐伟教授、上海理工大学彭成信教授和温州大学侴术雷教授。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106966
#06
西安交大与四川大学
联合研发ECMO进入临床阶段
报道媒体
新华社
内容摘要
西安交通大学第一附属医院11月8日公布，该院与四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心、西安交通大学机械学院联合研发的体外膜肺氧合设备（ECMO）在国内率先进入临床阶段。
ECMO可对重症心肺功能衰竭患者提供持续的体外呼吸与循环，为抢救赢得宝贵时间。新冠肺炎疫情发生以来，ECMO逐渐为公众所熟知，然而其核心关键技术长期被国外垄断，设备及耗材价格昂贵。
医护人员使用国产ECMO救治患者（受访者供图）
西安交通大学第一附属医院心血管病院院长袁祖贻介绍，该院心血管团队已从事ECMO临床应用及相关研究超过20年。团队是国内最早开展ECMO临床工作的单位之一，也是国内最早研发膜式氧合器、灌注管路等医疗器械的单位之一。2017年，该团队联合有关方面针对ECMO设备全血液接触面长效抗凝涂层、磁悬浮离心泵、超声流量探头、程控监测系统及ECMO膜肺展开深入设计和研发。
国产ECMO救治患者（受访者供图）
西安交通大学机械学院教授庄健介绍，新冠肺炎疫情发生前，研发团队已基本完成ECMO离心泵设备及全系列耗材的样品试制，并进行了针对抗凝涂层的大动物实验。在本项目研发中，团队充分分析比较了国外同类产品的优缺点及临床使用存在的问题，设计出针对国内临床需求的国产化ECMO。
此次该团队研发的首套国产ECMO系统成功应用于临床，有望显著降低ECMO产品的国内售价，推动ECMO技术向基层医院普及，使更多急危重症患者受益。
报道链接
http://m.news.cn/2021-11/08/c_1128044782.htm
#07
西安交大科研人员
揭示液滴融合过程中的类生命生长行为
发表期刊
《流体物理学》
（Physics of Fluids）
内容摘要
两种流体的混合现象广泛存在于人们的日常生活、工农业生产、动力装备、环境治理、医药化工以及生物生命等等领域，是一种共性的基础物理现象，掌握其混合过程中的能量传递与演化特征及其机制具有极其重要的理论价值与现实意义。西安交大能动学院魏衍举副教授团队对重液滴撞击液面产生的涡环在轻介质流体中的下沉及不稳定性演变过程进行了深入研究，取得了重要研究成果。
该论文利用高速相机研究了一系列重液滴撞击液池后从形成涡环、涡环失稳解体下沉、到分叉生长并最终成长为一朵分形花朵的奇特行为，通过系统分析，获得了上述各阶段的无量纲控制方程，揭示了其发生与演化的底层物理机制。研究发现涡环经历了以失稳解体为转折点的“稳态下沉”和“分岔生长”等两阶段演化，期间粘性阻力和重力通过重力加速度和瑞利-泰勒不稳定性（R-T instability）交替控制液滴裂变与生长行为，最终液滴通过涡环成长为一朵迷人的分形花朵。
液滴的这种生长行为与生命的萌发与成长具有很强的相似性。纵观由单液滴到涡环，再到分级失稳分叉的整个过程，均类似于一颗种子从发芽到生长出完整的花茎、花瓣和花蕊。从某种意义上，水滴就是分叉花的种子，只要它携带着能量从轻流体穿透界面进入重流体，它就会随着能量的耗散而生长，而能量耗散的路径就形成了现实意义的生命。这种独特的能量耗散模式可以激发人们对生命本质的深刻思考。另外，该现象对流体中最复杂的湍流现象的形成机理也具有一定的启发意义。
文章作者
该论文第一作者为博士生张亚杰，第二作者为硕士生穆志强，通讯作者为魏衍举副教授，第四作者为留学生Huzaifa Jamil，第五作者为航天学院杨亚晶副教授，西安交大为独立完成单位。
论文链接
https://doi.org/10.1063/5.0064072
#08
西安交大科研人员
在实验室天体物理研究领域取得重要进展
发表期刊
《天体物理学期刊》
（The Astrophysical Journal）
内容摘要
白矮星是中低质量恒星演化的最终产物，银河系中近97%的恒星都会以白矮星的方式终结一生，实验室开展类白矮星条件测量对于解释天文望远镜观测现象、确定星体状态和寿命、推测宇宙演化过程至关重要。宇宙中大部分白矮星内核主要由碳元素和氧元素组成，外层大气为氢和氦的混合物，表面温度约1万开尔文。然而，编号为H1504+65的白矮星却极为特殊，根据美国航空航天局NASA的钱德拉X射线望远镜和远紫外线天文望远镜的观测数据推断，白矮星H1504+65的表面温度约20万开尔文，是目前发现的温度最高的白矮星，其外壳大气中的氢和氦在形成过程中全部被驱散，内核却完整保留，主要成分为碳和氧，同时可能含有少量的氖和镁，而造成其大气富碳和富氧的具体原因至今尚无定论（图1）。
图1 白矮星H1504+65（图片来自Sliwinski, M.S. and Sliwinska, L.I.）
目前，白矮星H1504+65大气成分以及基本状态参数均基于天文观测光谱分析确定，然而部分观测谱线尚未被准确识别，部分波段受天文观测条件限制处于空白状态。近日，西安交通大学物理学院赵永涛教授团队与中物院激光聚变研究中心、深圳技术大学、中科院近代物理研究所、中科院物理所以及中国科学院大学等单位合作，利用星光III强激光大科学装置制备了类白矮星H1504+65大气状态的均匀稠密等离子体，获得了软X射线及极紫外波段的上百条高分辨光谱，标识了若干新谱线，填补了15-90nm波段的天文观测空白，为其基本状态参数的确定以及相关理论建模和参数优化提供了数据支持，同时也为更广泛条件下实验室天体物理研究提供了一种新方案（图2）。
(a)实验室制备类白矮星H1504+65大气状态物质的实验设计以及诊断排布；(b)观测光谱钱德拉天文观测数据对比
文章作者
西安交通大学物理学院博士生马步博、任洁茹副教授以及激光聚变研究中心王少义助理研究员为论文共同第一作者，西安交通大学赵永涛教授、激光聚变研究中心周维民研究员及深圳技术大学曹磊峰教授为论文共同通讯作者。
论文链接
https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac18c3
#09
西安交大科研人员
在多孔介质孔隙尺度输运过程研究方面取得系列进展
发表期刊
《能源与燃烧科学进展》
（Progress in Energy and Combustion Science IF=29.4）
内容摘要
在能源、环境、化工等领域，普遍发生着多孔介质中多物理场耦合输运过程（流动、传热、传质、化学反应及固体结构演等过程），如燃料电池、电子芯片冷却、热化学储能、核反应堆、二氧化碳地质封存及利用、油气开采等。在这些过程中，多孔介质结构复杂、多物理场耦合紧密、微纳尺度效应明显、跨界面输运机理复杂。多孔介质中输运过程对相关系统性能或过程效率起重要甚至是决定性的作用，是工程热物理及相关学科的前沿科学问题。
多孔介质复杂传递过程的孔隙尺度研究
当前研究中存在“现有实验手段对多孔介质中复杂传递过程实时观测及表征存在困难、现有多孔介质宏观模型唯象和经验参数多、多孔介质宏观整体性能研究多而微观尺度关键过程细节研究少”等主要问题。针对这些问题，能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室陈黎教授课题组一直致力于发展孔隙尺度数值模拟方法，表征并重构多孔介质实际三维结构，基于实际结构研究多孔介质中微纳米尺度的多物理场耦合输运过程。在发展孔隙尺度及多尺度研究方法、查明关键物理量孔隙尺度分布规律、揭示微纳尺度多场耦合过程机理、构建准确的多孔介质模型等方面取得了相关研究成果。与东方电气、中国核动力院、华电集团、长庆油田、塔里木油田等单位开展合作，研究成果获得了应用。
文章作者
西安交通大学陈黎教授、东京大学An He博士、瑞士苏黎世联邦理工学院Jianlin Zhao博士、美国Los Alamos国家实验室Qin-Jun Kang高级研究员为论文共同第一作者，西安交通大学陈黎为通讯作者，东京大学Naoki Shikazono教授、瑞士苏黎世联邦理工学院Jan Carmeliet教授、西安交通大学李增耀教授、西安交通大学陶文铨教授为共同作者。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.pecs.2021.100968
#10
西安交大科研人员
在等离激元光热材料领域取得进展
发表期刊
《美国化学会-纳米》
（ACS Nano）
内容摘要
能源与水资源短缺问题一直是高度相关的两大全球性的问题。随着对金属微结构界面调控研究的不断深入，利用等离激元增强太阳能蒸水成为近年来光热领域的研究热点。基于等离激元微结构增强的光-声转换为高效利用太阳能进行水纯化提供了可行的解决方案，引起了研究人员极大的兴趣，也促进了近年来等离激元材料创制、光热转换机理、调控与应用的发展。
近日，西安交通大学赵宇鑫课题组利用聚吡咯弹性体固化交联与定向冷冻干燥成型技术，成功制备了大块仿生结构的高弹性耐疲劳五孪晶铜@聚吡咯核壳纳米线（Cu@PPy NW）气凝胶组装体材料。该材料在4000W/m2光强辐照下可于1分钟内快速升温至220℃以上的高温，并在1个太阳的光照强度下轻松实现97.6%的光热转换效率和2.09 kg/m2h的蒸水速率。其设计理念主要基于：五孪晶铜纳米线具有很强的表面等离激元效应（SPPs），其独特的法布里-珀罗共振失稳导致的朗道阻尼效应可使热电子更多转换为声子；聚吡咯外壳可以显著拓宽光谱吸收范围，同时兼具低导热特性以减小光热能量的传导损耗；气凝胶三维结构中广泛分布的介孔结构，其尺寸普遍小于空气分子的自由程，从而有效地抑制层间的热对流传热；同时，气凝胶材料中定向贯通的大孔结构对水蒸气的传质运输增益，也对光热蒸水效率的提升也起到了关键作用。
图1 高弹性耐疲劳五孪晶铜@聚吡咯核壳纳米线气凝胶组装体材料示意图
此外，为了阐明材料表面近场光热转换的物理原理，研究团队分别采用了定制化的导电原子力探针（CAFM）、开尔文探针（KPFM）、量热扫描探针（SThM）和扫描近场光学显微联用系统（SNOM）原位测量获取了单根基元材料上激发态热电子、肖特基势垒、微小热流等特征参数，并直观证实了光子在共格孪晶铜表面沿纳米线轴向波导传递以及热电子弛豫过程。该研究系统定量分析了Cu@PPy纳米线材料的结构-功能相关性，证实了表面等离子体介导的光子-声子能量转移模型中波动电动力学模型的基本正确性。这些结果为近场光-物质交互作用中的内在耦合关联提供了明确证据，初步解释了显著增强的跨尺度、跨介质光热转换机制。等离激元纳米材料提供了一种独特的能量转化与分配平台，研究这种特殊微区环境下的理化过程不仅具有重要的基础研究意义，而且为促进光驱动能量转化提供了一条新的途径。
图2 单根纳米材料表面等离子体介导的光子-声子转换近场研究图摘
文章作者
该研究工作由西安交通大学化工学院赵宇鑫研究员团队完成，化工学院博士研究生王维、助理教授严孝清，能动学院博士研究生耿嘉峰为该文章共同第一作者，赵宇鑫研究员为通讯作者。
论文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05789
#11
西安交大研究人员
在时空高分辨酶微区域放热检测方面取得重要进展
发表期刊
《小方法》
(Small Methods IF=14.1)
内容摘要
酶的热效应对于研究生命现象、生理特征具有重要的价值。生命活动受到各种各样的生物酶调控，研究酶促反应过程中的热量释放具有重要意义。然而，单个酶分子释放的热量很少，同时热量会迅速地扩散到周围环境达到热平衡，现有的测量方法无法实时地检测酶分子的放热情况，缺乏微纳米尺度的热量监测的有力工具。近来，光学纳米温度计的发展为解决上述问题提供了思路。光学纳米温度计是指具有温度响应性的纳米粒子，通常其光学特性会随温度改变，通过测量纳米温度计光学特性变化获得被测物的温度变化。由于光学信号可以实时获得（采集间隔小于1秒），动态地监测整个放热过程，具有高的时间分辨率；而纳米温度计的粒径可以小于10 nm纳米，其尺寸与一些大分子蛋白质相当，可以实现高空间分辨率。因此纳米温度计具有在生物大分子（如酶）的微区域进行实时非平衡态的温度（热量）变化测量的潜力。
图1 酶的微区域温度实时测量示意图
近日，西安交通大学生命学院生物医学影像与应用研究所吴道澄教授课题组提出了一种可以在微纳米尺度下准确、实时监测酶促反应中放热情况的新方法（图1）。文中合成了一种表面带有大量氨基的AgInS2量子点，该量子点的荧光强度具有显著的温度依赖，荧光强度接近线性地随温度升高而降低，灵敏度为-2.82%°C-1。通过化学交联将量子点紧密地接枝到被测物脂肪酶上，确保量子点检测的是酶周围的温度而不是溶液温度。在交联了量子点的脂肪酶溶液中加入底物，利用荧光分光光度计实时地检测溶液荧光变化，发现随着底物加入溶液荧光强度迅速减弱，经换算最大温差超过溶液6°C，直到底物消耗完才回复到初始值。该方法具有良好的重现性，最大误差约为4%，温度分辨率约为0.5°C，可以检测低至0.02 mg/mL的酶溶液。该体系的荧光信号直接代表了酶周围纳米尺度微区域的温度变化，实现了对酶促反应中的非平衡放热检测。这种酶周围热量分布的不均匀性对于研究纳米尺度生物体内的热行为和生物特性具有重要意义。该方法对于研究生物体内各种与热有关的酶过程、线粒体内的热释放、甚至肿瘤热疗中的温度反馈都有重要参考价值。
文章作者
第一作者为西安交通大学生命学院博士生张慧，吴道澄教授为唯一通讯作者，生物医学信息工程教育部重点实验室和西安交通大学生命学院为该论文第一和唯一通讯作者单位。
论文链接
https://doi.org/10.1002/smtd.202100811
#12
西安交大科研人员
在二维磁性半导体领域取得重要进展
发表期刊
《自然-通讯》
（Nature Communications）
内容摘要
磁性材料是现代信息存储技术的重要基础，现有典型器件中信息的写入/读取是通过对磁性薄膜材料中磁性状态的改变/检测来实现。为满足未来海量数据存储的需求，新型磁性材料及相关物理效应的研究尤为重要。二维磁性半导体是同时具有磁性及半导体性质，且只有数原子层厚的新型材料，可对未来高密度信息器件的研发产生重要影响。由于二维磁性半导体的体积极小，无法应用传统磁性测量手段（如SQUID,中子散射等）来获取其磁性，因此急需探索其新的物理效应并应用在微纳尺度磁性探测上。
(a) CrBr3晶体及隧穿结示意图 (b) 隧穿磁电导对磁化强度的依赖关系，其中黑线为理论拟合数据(c) 通过隧穿磁电导得到二维磁体的磁化强度
近日，西安交通大学物理学院王喆教授与日内瓦大学Alberto Morpurgo教授团队合作，发现二维铁磁半导体中隧穿电导由磁化强度决定，这一物理效应表明可通过电子隧穿的方式来精确测量二维铁磁体的磁化强度。研究人员制备了“石墨烯/三溴化铬CrBr3/石墨烯”隧道结并系统测量了隧道结在不同温度及磁场下的电导。通过分析发现，隧道结无论是居里温度(~32 K)以上由外加磁场引起的磁电导，还是居里温度以下由自发磁矩引起的磁电导，都跟材料的磁化强度有着唯一的依赖关系。这一现象可由自旋相关的Fowler–Nordheim电子隧穿模型解释。此物理效应表明可通过隧穿磁电阻的测量反推出样品的磁化强度。这项工作为二维材料的磁学性质探测提供了新的方法，磁性半导体中磁电耦合相关现象的发现为走向自旋的未来信息时代提供了更多可能。
文章作者
西安交通大学为第一单位和第一通讯单位，王喆教授为第一作者及共同通讯作者。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26973-7
#13
西安交大和浙江大学合作
在合金固态相变领域获得重要进展
发表期刊
《自然材料》
（Nature Materials）
内容摘要
合金中的相，通常是指材料中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质，并以界面相互隔开的均匀组成部分。由于结构、化学成分等差异，不同的相具有不同的性能。在材料设计中，利用不同相的性能特点，取长补短，从而使材料整体性能优化。钛合金，作为一种在航空航天、军事、医用等领域均具有广泛应用价值的轻质材料，通常需要利用两种相的结合以达到相得益彰的效果，例如密排六方结构的低温相alpha和体心立方结构的高温相beta。
两相的比例以及各自的大小、形状和分布通常依靠相变来调控。相变，通俗来讲就是在外界条件的诱发下，从一个相到另一相的转变。相变理论中经典形核长大机制的假定是：新相起始于母相中源于热激活涨落出现的一个纳米尺度的新相胚胎，其成分和结构均与相图中预言的最终相变产物相同。然而实际的相变初始过程尺度小、时间短、可能性多，难以直接观测。钛合金中alpha固溶体和beta固溶体间的相变通常在高温下发生，前人虽有相关的研究报道，但对相变早期过程尚缺乏原位和原子尺度的直接观察和理解，对相变机制的认知并不清晰。
近日，利用先进的原位、多尺度电子显微镜技术，结合同步辐射和计算机模拟，浙江大学、西安交通大学和美国宾州州立大学研究人员对钛钼二元合金中的alpha-beta相变初始阶段进行了系统深入的研究，发现其原子尺度的过程与经典形核理论的机制具有显著差异。具体来说，研究人员在电子显微镜下的直接观察表明，当温度升高至相变点以下100℃左右时，beta相中过余的钼原子开始显著扩散到alpha相中，且随其浓度不断升高，钼原子开始呈化学有序排列，在alpha相中形成纳米尺度大小的亚稳态超晶格结构团簇，其成分和结构既不同于母相alpha，又不同于终相beta。超晶格亚稳结构中钼浓度的进一步升高促使原本的密排六方结构失稳，瞬间转变为体心立方结构，实现从alpha到beta的相变。第一性原理计算与模拟定量地揭示了上述过程中的能量变化（热力学驱动力）和需要克服的能垒与原子位移（动力学过程）。这一发现是原位、原子尺度实验与计算模拟紧密结合的成功案例，是非经典形核固态相变在钛合金中的首次报道，也为理解其它合金中固态相变初始过程的原子机制带来了新的启示。
文章作者
浙江大学电子显微镜中心博士后符晓倩、西安交通大学材料学院材料创新设计中心博士生王旭东为本文的共同第一作者。浙江大学张泽院士团队余倩、西安交通大学马恩、张伟以及美国宾州州立大学陈龙庆为本文的共同通讯作者。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01144-7
#14
西安交大科研人员
在气候变化与长江下游文明演化方面取得重要进展
发表期刊
《科学进展》
（Science Advances）
内容摘要
(A)研究洞穴和良渚古城位置
(B)神农宫洞内照片 (C)良渚玉琮及其上刻神徽
考古发现长江下游南岸具有连续的新石器文化演化序列，主要包括杭州湾南部的上山、跨湖桥、河姆渡文化，杭州湾北部的马家浜、崧泽、良渚、钱山漾和广富林文化。其中，良渚文化（距今约5300-4300年）是同时期全球范围最发达的新石器文化之一，主要体现在具有宏大的良渚古城、完善的水利系统、精美的玉器工艺、先进的稻作农业等方面。多方面证据表明良渚古城已经形成了早期国家形态，是中华五千年文明的实证，2019年7月6日被收入“联合国教科文组织世界遗产名录”。然而，是什么原因导致距今约4300年前良渚古城被废弃、良渚文明突然衰落呢？为什么其后的广富林文化和钱山漾文化的发达程度远不及良渚文化？学术界一直存在较大争议。
距今7000-2000年中重建的气候记录与长江下游文化演化对比
科研人员通过对江西省神农宫和九龙洞洞穴多支石笋进行高精度的铀系定年和高分辨率的稳定同位素指标测试分析，建立了长江下游距今1.4万年以来高精度高分辨率的水文气候变化序列，该序列最为显著的特征是距今4400-3000年间发生了数次年代际-百年尺度的极端旱涝事件。通过与长江中下游其他降水重建和考古地层、年代数据等资料进行综合对比分析，发现距今约4300年极端干旱后的极端洪涝事件可能首先对良渚古人的生存造成了重大冲击，而后长江下游持续湿润的气候使得太湖平原-杭州湾北部大范围低洼地区被淹，不再适合水稻种植，迫使在洪灾中存活的良渚人也放弃了良渚古城及其周边住址，最终导致良渚文化衰亡。距今4300-4000年前冷湿气候背景可能导致了广富林和钱山漾文化发展缓慢，其发达程度不及良渚，至距今约4000年前长江下游又遭受了一次极端干旱，与广富林、钱山漾文化衰亡时间一致。尽管前人研究表明社会矛盾、部落战争、海平面变化等因素也可能对良渚文化衰落有影响，但极端旱涝频发，特别是剧烈干旱后的极端洪涝及其后长时间的湿润气候，很可能对良渚文化造成了巨大冲击和影响。
研究还发现高精度石笋记录的距今约4000年前中原至长江下游地区由湿转干的气候背景支持“大禹治水成功得益于气候变干水患自然平息”的观点，对研究我国夏朝建立及其气候背景具有重要意义。研究认为距今4400-3000年间长江中下游剧烈的气候波动可能与中-晚全新世北半球夏季太阳辐射逐渐减弱背景下厄尔尼诺-南方涛动（El Niño–Southern Oscillation, ENSO）事件显著增多有关，东亚夏季风减弱叠加厄尔尼诺事件频发导致了长江中下游异常湿润，这种气候影响机制也得到了过去50年器测资料的支持。
文章作者
论文第一作者为西安交通大学副教授张海伟、通讯作者为程海、张海伟，西安交通大学为论文第一单位。
论文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9275
#15
西安交通大学科研人员
在变换光学领域取得重要进展
发表期刊
《自然通讯》
(Nature Communications)
内容摘要
自2006年英国物理学家John Pendry爵士提出了基于变换光学技术实现隐身斗篷以来，变换光学领域便开始蓬勃发展。多年来的理论发展与技术沉淀使得变换光学已经成为了很多电磁、光学器件设计的核心技术，在电磁隐身与幻象、吸波、电磁能量集中器等方面有着重要的应用价值。在最近几年的研究中发现，变换光学技术不仅被用来设计电磁器件，更可以为理解电磁波与物质相互作用提供一条更为直观的思路。另一方面，拓扑光子学中受拓扑保护的边界态可以对杂质和缺陷有一定的免疫能力，并且可以有效避免背向散射，因此，其在电磁调控方面有着巨大的研究价值的同时，在光通信、光学芯片等方面的应用中也被寄于厚望。
一般来说，对称性和空间维度对系统的拓扑性质至关重要。最近研究表明，对称性指标理论为研究系统的拓扑性质提供了一种更为优雅的方式。然而，这种方法依赖于系统在实空间中的对称性。在许多情况下，实空间中的对称性却并不直观，这便为调控系统拓扑性质带来了难题。因此，发展出新的理论方法，从而设计出理想的拓扑光子系统有着重要的科学价值和应用前景。
共形映射奇点与系统拓扑性质的联系
a.共形映射奇点的坐标与系统能带最大局域化万尼尔函数中心坐标的联系；
b.不同共形映射参数生成的超表面的万尼尔函数的磁场幅值分布
西安交通大学电气学院先进电磁调控与电能转换技术研究中心马西奎教授团队与复旦大学物理系丁鲲研究员以及英国帝国理工学院物理系John Pendry教授合作，利用变换光学中的共形对称性揭示了一种从虚拟空间出发去理解并调控实空间中系统拓扑性质的方案。该研究从具有共形对称性的表面等离激元系统出发，通过构建具有多个奇点的保角映射，将虚拟空间中的表面等离激元系统投影到具有较低希尔伯特空间维数的实空间系统中，指出了由共形映射所关联的两个空间中系统本征模式之间的联系。研究发现，共形映射中的奇点可用于调控系统的拓扑不变量，并基于此给出了一种通用的可调拓扑边界态系统的设计方案。该研究首次揭示了变换光学与拓扑光子学交叉应用在拓扑光子器件设计中的可能性。
文章作者
西安交通大学电气学院为本文第一单位，论文第一作者为西安交通大学电气学院博士生卢丽臻，通讯作者为复旦大学丁鲲研究员和英国帝国理工学院J. B. Pendry教授。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27008-x
#16
西安交大科研人员
在分子选择性富集与增强光谱检测领域取得重要进展
发表期刊
《自然通讯》
(Nature Communications)
内容摘要
图1.基于磁性纳米颗粒-β-环糊精聚合物的增强光谱技术方案示意图
鉴于此，西安交通大学方吉祥教授团队受微孔β-环糊精与有机污染物形成主客体快速吸附思路的启发，提出了增强光谱快速检测用一种新的分子选择性富集策略。该团队将磁性纳米颗粒引入β-环糊精聚合物中（MN-PCDP），从含有复杂基质的真实样品中快速分离和高效富集持久性有机污染物分子，消除了复杂基质分子的干扰，实现了对有机污染物分子的超灵敏快速检测（如下图1所示）。该策略具有超高的分子吸附效率，能够在短时间内（2~3 min）完成对目标分子的高效捕获、选择性分离和高倍富集（~103倍）。实现了对于常规分子fM水平的检测，为SERS技术在商业化和实际检测中的应用提供了一种新思路，在基于增强光谱技术的现场、快速、便携式检测方面具有重要应用价值。
文章作者
西安交通大学大学电信学部电子科学与工程学院为第一作者单位，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院，西安交通大学生命科学与技术学院为通讯作者单位。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27100-2
研究团队主页链接
http://gr.xjtu.edu.cn/web/jxfang
#17
西安交大科研人员
在函数型数据分析研究领域取得新进展
发表期刊
《美国统计学会会刊》
（Journal of the American Statistical Association，简称JASA）
内容摘要
新冠肺炎疫情给全球各个国家都带来了重大影响，科研人员持续开展各方面的研究工作。人口老龄化和社会经济、医疗资源对新冠肺炎死亡率的影响是否存在交互作用？这种交互作用在新冠肺炎发展的不同阶段是否一样？
近日，针对上述问题，西安交通大学经济与金融学院青年教师刘华博士、上海财经大学统计与管理学院教授尤进红博士和加拿大西蒙弗雷泽大学（Simon Fraser University）教授Jiguo Cao博士进行了深入研究。他们基于目前出现的大量新型函数型数据（比如新冠数据）的特征提出了一类新的动态交互半参数function-on-scalar (DISeF) 模型。该类模型包含了许多最近被广泛研究的函数型数据模型。通过结合张量B-样条近似技巧，提出了一种三步有效估计方法来估计模型中未知的两元函数，指标参数向量和高维协方差矩阵，并且建立了这些估计量的渐近性质，包括它们的收敛速度和渐近分布。除此之外，还提出了一种检验方法来判断模型中的动态交互作用是否随时间或空间位置而变化，并给出了该检验统计量的渐近正态性。
科研人员把提出的模型和相应的统计推断方法用于分析最近出现的新冠和核磁共振脑电图案例。他们发现在这些案例中变量之间确实存在交互作用，并且这些交互作用随着指标参数向量和时间或空间变化而变化。例如，在新冠案例分析中，科研人员发现人口老龄化和社会经济、医疗资源（包括每千人医院床位数、医护人员数等）对新冠死亡率的影响存在交互作用，而且这种交互作用在新冠发展的不同阶段是不一样的。基于指标参数向量，科研人员还得到了全球141个国家相当于新冠死亡率的卫生基础设施指标体系。该指标体系有助于世界卫生组织指导各个国家进行有效抗疫。
文章作者
刘华是第一作者，西安交通大学经济与金融学院是第一署名单位。
论文链接
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/01621459.2021.1933496
「出品 / 党委宣传部」
内容来源 / 西安交大新闻网
值班编辑 / X工作室 徐笑峰
责任编辑 / 崔可嘉
基于近场测试的自参考算法
随着技术发展，天线的集成度越来越高，很多天线直接将信道集成一起，成为不可以拆离的整体。必须采用一定的算法才能实现对各个通道的幅度和相位信息准确有效的检测，而现有常见的算法(包括近场校准、FFT算法等)都需要获得相位信息[1-6]，那么被测天线上就需要预留参考通道，以提供相位参考。这对天线的设计生产提出了额外要求，同时对于已经装机的天线，特别是共形天线[7-14]，无法提供对外接口用作相位参考。这使得传统的近场测量方案不再适用，本文中提出一种新的近场算法，用于解决高集成天线无相位参考通道的问题，以实现上述天线的测量。
1 基本理论
近场测量的理论基础是电磁波传播中的惠更斯-基尔霍夫原理，基本方法是：首先测量一个包围被测天线的近场闭合曲面上切线方向场的分布，然后根据电磁波传播理论推导该天线远场位置场分布，最后推导天线口面场分布。而天线口面场分布就是相控阵单元的幅相特性。
在笛卡尔坐标系中，如图1所示，将待测天线口径面置于xoy平面上，在z=d1设置一个扫描平面，且扫描平面上的切向场分布为Et(x，y，d1)，则天线的远场方向图函数在球坐标系下可以表示为[15-16]：
由此可知，在近场扫描测试中，对于天线方向图的重构，需要得到采样点的相位才能实现。因此在对于无法参考相位的天线的近场测试中，采用基于自参考的近场算法。
假设近场探头的扫描曲面为一个平面β，平面足够大，使得AUT辐射的电磁波未穿过扫描平面的部分可以被忽略。测量时信号源发出的信号，在每个测量点进行数据采集时，开关做一次切换，保证测试探头和参考探头都做一次固定时间长度的信号发射，并且开关切换时长固定[17-20]。幅相接收机收到信号后，以固定时间长度提取测量探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算幅度相位，再以固定的时间间隔和固定的时间长度提取参考探头发射的经过AUT接收后收到的信号，并计算幅度相位。其时序构成如图2所示。
设测试探头与被测天线的空间距离为Rn，n=1，2，3，…，N。参考探头与被测天线的空间距离为R0，信号角频率为ω0，信号发射起始时刻为tn，测试信号起始时刻与参考信号起始时刻时间间隔为T1，k为ω0频率下的空间波数，An为测试探头位置为n时测试探头发射到被测天线的幅度信息，Bn为测试探头位置为n时参考探头发射到被测天线的幅度信息，根据图1所示时序，测试探头到达到天线的信号为：
由式(6)可以看出，由于ω1和T1为常数，最后得到的幅度相位信息只与测试探头的位置相关，即得到参考相位，从而还原出天线方向图。
2 实验验证
2.1 实验系统搭建
为了验证本测试方法的正确性，本文进行了一次验证实验，以一个实际天线为例，采用自参考算法近场扫描的方式进行测试，并将测试结果与NSI近场测试系统测得的结果进行比较验证，搭建如图3所示测试系统。
以控制器为控制核心，控制近场扫描架对被测天线进行近场测试。扫描架每移动一个位置，控制器将会对幅相接收机、单刀双掷开关进行控制，通过PC记录下在该位置参考探头和测量探头接收到的幅度及相位值。
2.2 实验结果分析
首先，控制近场扫描架，使测量探头对齐辅助天线(AUT)中心，在该位置下进行静态采样，以验证自参考算法公式（3）的正确性。对PC记录下的3组参考探头和测量探头的测试数据进行分析，每组数据为1 000个，T1分别取100 μs、1 ms和10 ms，将测量探头测试数据与参考探头测试数据相除，得到结果如图4所示。
从图4中可知，由于采用时钟存在一定的误差，随着采样间隔的拉长，得到数据的误差会逐渐变大，具体误差结果见表1。
将T1设定为100 μs，把测试得到数据带入自参考近场算法进行处理，得到天线的远场三维方向图如图5所示。
将采用NSI近场测试系统得到的远场二维方向图与采用自参考算法得到的远场二维方向图进行比较，其比较结果如图6所示。
由测试结果可以看出，自参考测试算法与NSI近场测试系统的测试结果有较高的重合度，其具体误差比较如表2所示。
3 结论
本文中的自参考近场算法解决了传统近场测量中需要独立参考通道的问题，因为无需额外参考通道，使得测试设备和被测设备可以完全独立设计，因此本算法可以应用于常规天线、含有变频通道的天线和数字化天线的近场测量领域，且特别适用于设备的现场检测应用。
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作者信息:
杜 艳，杨顺平
(中国西南电子技术研究所，四川 成都610036)
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