1.Science:中国科学技术大学在量子力学再取新突破
量子系统的能量学通常由Hermitian Hamiltonians描述。 在经典奇偶时间(PT) - 对称系统中探索非Hermitian物理学,为开发具有奇异行为的系统提供了丰富的理论和实验基础。指导单自旋系统的演化对量子计算和量子传感至关重要。 从理论上研究了量子系统的动力学,奇偶时间对称的哈密顿量表现出奇异的性质。 尽管在经典系统中已经探索了奇偶时间对称性,但是它在单个量子系统中的观察仍然是难以捉摸的。
研究人员开发了一种将一般奇偶时间对称哈密顿量扩展为厄米尔式哈密顿量的方法。 已经观察到在钻石中具有单个氮空位中心的量子态演变,范围从未破坏的区域到破坏的PT对称性。 由于扩张方法的普遍性,该结果为进一步开发和理解量子系统中奇偶时间对称哈密顿量的奇异性质提供了一条途径。
参考信息:
https://science.sciencemag.org/content/364/6443/878
2.Nature:中国科大在揭示人类疱疹病毒的基因组包装机制方面取得重大突破
2019年5月30日,《自然》杂志在线发表了中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心、生命科学学院刘云涛博士、毕国强教授与合作者的研究论文,该工作利用冷冻电镜首次解析了人类疱疹病毒基因组包装的关键机制以及病毒的DNA基因组结构,有助于预防和控制疱疹病毒引发的多种疾病,并可望改造疱疹病毒用于靶向治疗。
疱疹病毒在自然界中广泛存在,在感染人体后能够引发多种疾病,包括带状疱疹、出生缺陷、多种免疫系统疾病以及癌症。疱疹病毒包括囊膜、中间体蛋白层、衣壳和基因组四层结构,其中衣壳通常被视为一个正二十面体,其上有一个独特的DNA通道,是病毒基因组进出的地方。在疱疹病毒生命周期中,最关键的过程之一就是将DNA剪切酶“召集”到该DNA 通道上,识别、包装和切割双链DNA,最终产生含有基因组的病毒粒子。当病毒基因组在病毒衣壳内装满后,会发出某种信号,从而切除冗余的DNA以完成组装。由于缺乏病毒基因组和衣壳DNA通道的高分辨结构,人们对于病毒粒子的基因组包装过程知之甚少。
利用冷冻电镜解析生物大分子的原子分辨率三维结构已成常态,然而对于疱疹病毒基因组结构以及包装基因组的分子机器(即DNA通道)的结构解析仍旧需要克服诸多困难,例如:1、疱疹病毒颗粒具有巨大的直径,导致对于每个病毒颗粒来说,只有部分区域在冷冻电镜成像时能够很好地处于成像焦平面,极大限制了结构解析的分辨率。2、通常对疱疹病毒结构的解析采用正二十面体对称的重构方式来获得高分辨衣壳结构,但是DNA通道和基因组不符合二十面体对称性。3、DNA具有双螺旋对称,DNA通道蛋白大致具有十二重对称性,而病毒顶点的衣壳蛋白具有五重对称性,这种偶联的对称性不匹配极大地增加了结构解析的复杂度。
人类I型单纯疱疹病毒(HSV-1)DNA通道蛋白的原子分辨率三维结构
为了攻克这一难题,研究人员建立了一套基于连续局部分类和对称性释放的重构方法,有效地从病毒的冷冻电镜照片中重建出DNA通道的原子分辨率结构和大部分基因组的三维结构,发现病毒基因组具有左手超螺旋的缠绕方式和一个无序核心。进而,提出病毒可以通过序列识别和构象传递两种方式感知和传递基因组包装的信号,并发现病毒使用“刚性框架-灵活连接”策略获得不匹配的对称性,这种不对称性导致的棘轮运动可能是病毒DNA转运进出衣壳的结构基础。
理解疱疹病毒DNA转运和基因组包装信号获取和传递的基本规则,一方面有望针对性用于疱疹病毒引起的疾病的预防和控制;另一方面,这些发现有助于对疱疹病毒进行改造,使其成为更实用的载体工具,并用于靶向治疗或大脑神经环路示踪等。此外,病毒这种通过DNA超螺旋组装方式来减轻基因组组装过程中的DNA变形扭矩,对于揭示细胞的基因组组织结构有借鉴意义。
该研究展示了疱症病毒完整的非对称结构,获得了第一个真核生物病毒的DNA通道原子模型,也是第一次探测到DNA在通道里的扭曲状态。审稿人评论说,“作者采用最前沿的局部分类方法对疱疹病毒结构的完美解析,堪称高分辨冷冻电镜三维重建的匠心力作。”
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1248-6
解析链接:
http://news.ustc.edu.cn/2019/0530/c15884a381897/page.htm
3.Science:超导量子计算在强关联纠缠体系的量子随机行走实验研究中取得重要进展
解析链接:
http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0506/c6076a380131/page.htm
4.Nature:发现首例磁星驱动的X射线暂现源
论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1079-5
解析链接:
http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0411/c6076a378088/page.htm
5.Science:中国科学技术大学在可见光催化脱羧偶联反应领域取得重要突破
论文链接:
http://science.sciencemag.org/content/363/6434/1429
解析链接:
http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0408/c6076a377835/page.htm
6Cell:中国科学技术大学薛天,鲍进及马萨诸塞大学医学院韩纲使人看得更远
视觉是人类必不可少的感官方式。我们的视觉系统可以探测到400到700 nm之间的光,即所谓的可见光。在哺乳动物感光细胞中,由视蛋白及其共价连接的视网膜组成的光吸收色素被称为固有光子检测器。然而,检测较长波长的光,例如近红外(NIR)光,虽然是理想的能力,但对哺乳动物来说是一项艰巨的挑战。这是因为利用较低能量的光子检测较长波长的光需要视蛋白(例如,人类红锥视蛋白)具有低得多的能量障碍。因此,这导致难以忍受的高热噪声,因此使NIR视觉色素不实用。这种物理限制意味着没有哺乳动物感光器可以有效地检测超过700nm的NIR光,并且哺乳动物不能看到NIR光并将NIR图像投射到大脑。
pUMP的特征
为此,纳米粒子与生物系统的成功整合加速了基础科学发现及其向生物医学应用的转化。在这里,研究人员报告了一种可注射,自供电,内置近红外光纳米天线,可以将哺乳动物的可见光谱扩展到近红外范围。这些视网膜光感受器结合上转换纳米颗粒(pbUCNP)充当微型能量转导器,其可以将体内哺乳动物的不可见NIR光转换成短波长可见发射。
pbUCNPs的生物相容性
通过视觉皮层中的体内视网膜电图(ERG)和视觉诱发电位(VEP)记录,研究人员显示注射pbUCNP的小鼠的视网膜和视皮层均被NIR光激活。通过动物行为测试,研究人员进一步证明注射pbUCNP的小鼠获得了NIR光感和独特的环境日光兼容的NIR光图像视觉。因此,内置的NIR nanoantennae可以使哺乳动物的视觉光谱有效地延伸到NIR领域而没有明显的副作用。令人兴奋的是,研究人员发现注射pbUCNP的动物同时感知NIR和可见光模式。
文章总结
因此,这些新型光感受器结合NIR光纳米天线提供可注射的,自供电的,生物相容的和NIR可见光兼容的解决方案,以将哺乳动物视觉光谱扩展到NIR范围。这一概念验证研究应指导未来的研究,以扩展人类和非人类视觉,而无需任何外部设备或遗传操作。赋予具有近红外视觉能力的哺乳动物也可以为重要的民用和军用应用铺平道路。
参考信息:
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1#
7Nature:中国科学技术大学在高效去除氢气中微量CO研究方面取得突破性进展
氢能是未来最理想的一种清洁能源。氢燃料电池汽车以氢气为燃料,能量转化效率高,清洁零排放,是未来新能源清洁动力汽车的主要发展方向之一。然而氢燃料电池汽车的推广目前仍然困难重重,其中一个关键难题是氢燃料电池电极的CO中毒问题。现阶段,氢气主要来源于甲醇和天然气等碳氢化合物的水蒸汽重整、水煤气变换反应等,通常含有0.5%~2%的微量CO。作为氢燃料电池汽车的“心脏”,燃料电池电极极易被CO杂质气体毒化,从而致使电池性能降低和寿命缩短,严重限制了该类汽车的推广。富氢氛围CO优先氧化(PROX)是车载去除氢气中微量CO的最理想方式。然而现有PROX催化剂工作温度相对较高(室温以上)且区间窄,无法在寒冷条件下为氢燃料电池频繁冷启动过程中提供有效保护。
针对该技术难题,中国科学技术大学路军岭教授、韦世强教授、杨金龙教授等课题组密切合作,利用原子层沉积技术(ALD),首次设计出一种新型Fe1(OH)x-Pt单位点界面催化剂结构(图1),并在低温高效去除氢气中微量CO制备高纯氢气方面取得突破性进展。研究成果以“Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H2”为题,于2019年1月31日在线发表在国际权威期刊《Nature》上。
图1.Fe1(OH)x-Pt单位点界面新型催化剂结构模型示意图。这里蓝色、黄色、红色、白色小球分别代表铂、铁、氧和氢原子。
该工作中,路军岭课题组充分利用ALD技术中的表面自限制反应以及二茂铁金属源在贵金属表面解离吸附和分子间空间位阻效应的特性,成功地在SiO2负载的Pt金属纳米颗粒表面上,原子级精准地构筑出单位点Fe1(OH)x物种,进而促成了丰富且具有超高活性和高稳定性的Fe1(OH)x-Pt单位点界面催化活性中心的形成。在PROX反应中,研究人员利用该新型催化剂首次在~-75 °C至110 °C的超宽温度区间,成功实现了100%选择性地CO完全去除(图2a,b),极大突破了现有PROX催化剂工作温度相对较高且区间窄的两大局限性,为氢燃料电池在寒冷条件下频繁冷启动和连续运行期间避免CO中毒,提供了一种全方位的有效保护手段,从而为未来氢燃料电池汽车的推广扫清了一重大障碍。更难能可贵的是,该催化剂在模拟真实环境,即CO2和水汽都存在的情况下,仍可表现出极佳的稳定性(图2c),且比质量催化活性(5.21 molCOh-1gPt-1)是传统Pt/Fe2O3催化剂的30倍(图2d)。
图2.利用ALD方法制备出来的1cFe-Pt/SiO2、2cFe-Pt/SiO2、3cFe-Pt/SiO2单位点界面催化剂和常规Pt/SiO2、Pt/Fe2O3催化剂在PROX反应中的催化性能对比。(a)CO转化率;(b)CO选择性;反应条件:1% CO、0.5% O2和48% H2,平衡气为氦气,空速为36,000 ml g−1 h−1,压力为 0.1 MPa。(c)1cFe-Pt/SiO2催化剂的长时间稳定性测试。反应条件:1% CO、0.5% O2、48% H2、20% CO2和3% H2O,平衡气为氦气,空速为36,000 ml g−1h−1; 压力为 0.1 Mpa,反应温度为353 K。(d)催化剂比质量活性的对比。
韦世强教授课题组利用原位X射线吸收谱(XAFS)从实验上探测到Fe1(OH)x物种在PROX反应气氛中的结构是Fe1(OH)3,Fe原子与Pt纳米颗粒表面Pt原子形成Fe-Pt的金属键,而无明显的Fe-Fe键,并且惊奇地发现该物种具有超高还原特性,在室温就实现氢气还原生成Fe1(OH)2,揭示了其高催化活性的内在原因。王兵教授课题组利用扫描隧道电子显微镜(STM)研究了FeOx ALD在Pt单晶表面的生长行为,观察到了亚纳米尺寸FeOx物种的形成,从而直接证明了在Pt表面上形成单分散Fe物种的可能性。与此同时,近常压X-射线光电子能谱(NAP-XPS)实验也进一步证实PROX反应气氛下,与Fe成键的氧物种是羟基物种。
杨金龙教授课题组理论计算确定了Fe1(OH)3在Pt表面上的空间构型,证实Pt颗粒表面上形成的Fe1(OH)x-Pt单位点界面是其催化活性中心,并揭示了其催化反应机理:吸附的CO首先进攻其中一个OH,形成COOH表面中间物种;此后,O2在该界面处以极低的势垒活化;形成的原子O随后进攻COOH,最终生成CO2。
众所周知,金属—氧化物界面在众多催化反应中起着至关重要的作用。该工作为人们设计高活性金属催化剂提供了一新思路。
该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家基础科学中心项目、中组部“青年千人”计划、瑞典瑞典研究协会和克努特和爱丽丝布·瓦伦堡基金会的支持,并由衷地感谢北京同步辐射、上海同步辐射、合肥国家同步辐射中心以及瑞典Max-lab等国家实验室为该项研究提供的宝贵机时。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0869-5
解析链接:
http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0202/c6076a372236/page.htm
8Science:中国科学技术大学在超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得实质性突破
http://science.sciencemag.org/content/363/6424/261
解析链接:
http://kyb.ustc.edu.cn/2019/0119/c6076a371460/page.htm
—END—
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