“科”研事件簿 vol.1

核酸三维结构预测取得进展

物理学院肖奕教授团队

一般而言，传统研究表明机体的各种生命活动主要依靠蛋白质来完成，但近些年来科学界发现越来越多的RNA也同样参与这些过程，并且其内在机理和许多重大疾病息息相关。与蛋白质作用机理类似，RNA也需要具有特定的三维结构才能在生命过程中发挥其作用。然而，目前RNA三维结构的实验测定还非常困难，所以理论预测成为一种极为重要的手段。

肖奕教授团队2012年提出了一种快速、自动化的RNA三维结构预测方法—3dRNA。2015年又在Nucleic Acids Research上报道了一种准确性高于已有方法的RNA三维结构评估函数，使3dRNA得到进一步完善。基于此，肖奕教授团队结合基于基因组测序大数据的共进化信息分析方法和结构优化算法，大幅度地提高了3dRNA以及其它RNA三维结构预测方法的精度，特别是对于目前学界认为最困难的长非编码RNA表现出优异的预测效果。相关研究成果于《核酸研究》（Nucleic Acids Research）在线发表。

新型高红外偏振响应光电探测器

光电信息学院叶镭副研究员

目前我国的红外探测技术正处于向第4代发展的起步阶段，特别是在对新一代低成本、室温红外探测器的探索和发展迫在眉睫。近年来，以二维材料为代表的新型低维红外探测材料受到科研人员的关注。这类低维纳米材料具有特殊的尺寸效应、高比表面积、量子效应等特性使得它们在光电子物理、电子器件、凝聚态物理等应用方面均发挥着巨大的作用。相比于传统薄膜半导体材料(硅(Si)、铟镓砷(InGaAs)、碲镉汞、锑化铟等)，二维材料的厚度极薄（纳米级），可以使得探测器具有极低暗电流的特性，在常温就可以实现高灵敏的红外光电探测，而且二维材料高迁移率的特性也会使得探测器具有极快的响应速度。因此这种基于二维材料的红外光电探测器有望实现轻量化、低暗电流、高响应率、室温红外探测，将是新一代高性能红外探测器的最有力的竞争者。

叶镭利用二维材料定点转移法，将具有偏振特性的二维材料黑磷转移到二维材料二硒化钨上，实现制作了黑磷-on-二硒化钨垂直光栅异质结偏振红外光电探测器。在黑磷-on-二硒化钨器件中，黑磷和二硒化钨间存在内建电场，提高了光生载流子的分离，从而实现高灵敏度的红外光电探测。另外，由于黑磷位于二硒化钨的沟道中，从而排除了黑磷与金属电极间偏振相关光电响应的干扰。这种二维材料光栅垂直异质结器件有机会实现复杂环境下高分辨的红外成像。相关研究成果于《纳米能源》（Nano Energy, 2017, 37, 53-60）在线发表。

心肌缺血再灌注损伤研究领域获进展

基础医学院解剖学系廖燕宏教授团队

心肌缺血再灌注损伤（Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury, MIRI）是指心脏在缺血基础上，恢复血供后损伤反而加重，甚至发生不可逆性心肌损伤。目前认为引起MIRI 的机制包括：氧自由基合成过多；心肌细胞钙超载；白细胞在冠脉细小血管内皮细胞处粘附并激活，形成新的血栓；ATP合成减少及内皮素、血管紧张素II的异常表达。在上述发病机制中，心肌细胞的钙超载是启动MIRI发生最关键因素之一。反向钠钙交换器（NCX），L型钙通道，SERCA泵和线粒体膜上钙转运体（MCU）的异常表达和/或开放，是MIRI钙超载形成的主要钙离子来源。

本项研究利用TRPC3/6/7基因敲除鼠，结合心肌H9c2细胞系，发现经典瞬时受体电位（Canonical transient receptor potential, TRPC）的TRPC3/6/7亚类直接参与了MIRI的发生。在心肌细胞缺血状态下，TRPC3/6介导的钙超载，可引起心肌细胞线粒体损伤及其凋亡。于此同时，TRPC3/6介导的钙超载通过NFAT3c途径，又增加心肌细胞TRPC3、6的表达，引起进一步钙超载。TRPC3/6的这种“正反馈”模式，加剧了MIRI损伤进程。该研究结果拓宽了对TRPC家族的生理学功能的认识，为寻找治疗和干预MIRI措施提供了新思路。相关研究成果于《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, PNAS）在线发表。

单分子水平量子精密测量新方法

物理学院蔡建明教授团队

自由基对反应是自旋化学研究的一个重要方面，在生物学过程中也扮演着重要的角色。当前通用检测方式只能适用于宏观样品（包含数十亿个分子）的研究，并且仅能得到宏观样品的平均性质，无法观测到微观层面单分子反应的独特信息。蔡建明教授研究团队提出利用金刚石中量子自旋作为量子探针，在常温常压下可以实现单分子的带电自由基对电荷重结合速率的探测。研究结果显示，该探针的探测灵敏度甚至可以分辨出地磁场方向对自由基对反应速率的影响。

该成果有望为在单分子水平上检测自由基及相关的动力学过程提供重要的方法。例如细胞中涉及自由基的重要生理过程，包括光合作用、生物磁感知和机体疾病等。此外，对于化学中涉及电子转移的化学合成、聚合反应等研究也将有重要的推动作用。相关研究成果于《物理评论快报》（Physics Review Letters）在线发表。

非易失性计算技术领域获进展

光电信息学院缪向水教授团队

忆阻器，是电阻、电容、电感之外的第4种电路基本元件，具有高速、低功耗、高集成度、兼具信息存储与计算功能等特点，被认为是“后摩尔时代”最具潜力实现存储与逻辑运算一体化的信息器件，其发展将推动逻辑运算理论与计算体系结构的全面变革，为从根基上颠覆传统冯·诺依曼计算架构奠定器件基础。然而目前忆阻逻辑运算的物理原理和高效算法研究尚不完善。缪向水团队探索了忆阻器阵列中逻辑迭代、状态转换与级联，为非易失性忆阻逻辑的阵列化并行计算提供了可行方案。研究中利用交叉阵列中最常见的单个双极性器件和互补式拓扑结构，在同一单元中实现了基本布尔逻辑，并提出了全加器实现方案。相较于传统可重构逻辑电路，忆阻逻辑功能进行重构时，无需进行硬件连接的改变，而只需通过控制信号的调控，颇具潜力成为未来高性能并行计算的方案之一。

近年来，围绕存储与计算高效融合的这一重要科学命题，由缪向水教授领衔的信息存储材料及器件研究团队展开了系统研究。团队在基于硫系化合物相变、磁电耦合效应、金属离子迁移等物理机制的新原理非易失逻辑计算方面取得了一系列研究成果，提出了一种基于四数学变量的通用逻辑算法，并在双极性、互补式、1T1R忆阻器中获得了实验验证，与现阶段相关国际报道文献相比，其计算复杂度最优，且兼容高密度阵列集成方案。在长期深入的研究和取得系列重大成果的基础上，团队撰写了我国第一本中文忆阻器专著《忆阻器导论》，目前已由科学出版社出版。相关研究成果于《纳米尺度》（Nanoscale）在线发表。

柔性生物电子在医疗健康领域新应用的技术评论

机械学院柔性电子制造研究团队

现代医疗领域中，电子医疗器件是十分重要且有效的工具，而人体皮肤及内部器官都是有着复杂曲面的柔软物体，传统的硅基电子技术对该领域并不适用。基于柔性生物电子技术制备的器件却能与皮肤紧密贴合，在运动时也能始终保持共形接触，具有优良生物相容性的器件还可以植入人体内部，不仅可以用于个人健康监测，还可以用于手术和药物输送等精准治疗手段当中，处于医疗技术发展的前沿。近十年来学术界在柔性生物电子方面的研究大多数限于可拉伸传感器的制造与表征以及对人体基本生理特征的监测，而在精准治疗领域的应用才刚刚开始发展。

机械学院柔性电子制造研究团队在利用柔性电子器件进行健康检测领域开展了一系列研究工作，将研究领域拓展到医疗手术和药物输送等领域。论文对柔性生物电子技术应用于精准治疗领域的重要成果进行了系统的梳理和总结，分析探讨了表皮器件、植入式器件及基于柔性电子的手术工具在材料合成、制造工艺、结构设计与集成方案的最新进展，突出了基于柔性生物电子系统的药物治疗和手术的显著效用和巨大优势。论文还就本技术发展面临的挑战和商业化前景进行了概括和展望。相关研究成果于《先进医疗材料》（Advanced Healthcare Materials）以封面文章的形式在线发表。

熔盐法合成二维材料研究获进展

武汉光电国家实验室（筹）周军教授课题组

具有原子层厚度的二维（2D）材料因具有独特物理化学性质而受到广泛的关注。此前，科学家们报道了多种制备二维材料的方法，主要包括剥离法（机械剥离、液相剥离、电化学剥离等）、化学气相层积法和湿法化学法。但如何实现高效、快速、低成本、大规模的二维材料制备，一直是研究人员的目标。

在前期研究中，周军教授、唐江教授与美国德雷塞尔（Drexel）大学Yury Gogotsi教授等人合作，发展了利用晶态的盐（NaCl、KCl等）作为模板，合成非层状结构二维过渡金属氧化物和氮化物的普适方法。他们注意到盐在熔融态时离子是以“裸离子”形式存在的，可以避免传统化学合成中离子的去溶剂化过程，降低反应活化能，从而有可能实现材料的快速合成。根据这一特性，周军课题组设计了低熔点盐反应体系，在盐熔融状态下加入反应前驱物反应一分钟，然后只需简单水洗（无需离心处理），即可获得目标产物 。同时，仅通过改变盐的阳离子或阴离子类型就可以对插层离子类型进行调控。利用这种方法，课题组成功制备了多种阳离子插层型二维过渡金属氧化物及阴离子插层型过渡金属氢氧化物，所合成的材料在电化学储能器件及重金属离子吸附等领域中展现出重要应用前景。这种方法工艺简单、反应迅速（分钟级）、产率高（~62%），具有大规模合成二维材料的潜力。在后续研究中，团队将进一步拓展该方法在二维材料体系合成中的普适性，并将继续对合成机理进行深入研究。相关研究成果于《自然∙通讯》（Nature Communications 2017，DOI: 10.1038/ncomms15630）在线发表。