太强了！国内高校一日5篇Nature！

来源｜Nature、东北大学、上海交通大学、求是风采、iNature

9月13日，东北大学、上海交通大学、浙江大学、清华大学、香港城市大学分别在Nature发表最新研究成果。

1、东北大学继Science之后，100年校庆前夕再现Nature突破！

2023年1月13日，Science以长文（Research Article）形式在线发表了东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室王国栋院士/袁国教授研究团队在超高强钢铁材料增塑机制及组织创新设计方面的最新研究成果“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”，是东北大学首次以第一完成单位在Science上发表文章。

2023年9月16日，东北大学将举行百年校庆盛典。9月13日，Nature在线发表了东北大学左良教授团队、秦高梧教授团队与中国科学院金属研究所陈星秋研究员团队的合作研究结果，论文题目为“Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation”。该论文第一作者为东北大学材料科学与工程学院/材料各向异性与织构教育部重点实验室杨波副教授，通讯作者为左良教授。

受人口增长、环境污染以及气候变化等因素的影响，淡水资源短缺问题日益严峻。根据全球水资源经济委员会最新研究报告，到2030年全球淡水供应短缺将达到40%。鉴于70%以上的地球表面被海洋覆盖，海水淡化无疑是破解这一急迫问题的最有效策略。近年来，科研人员致力探索基于光热转换效应的太阳能驱动界面水蒸发技术，其在减轻化石能源消耗与环境污染压力、保障清洁水资源安全供给方面有着广阔的应用前景。

获取具有宽吸收谱、高吸收率的光热转换材料，是将太阳能高效转换为热能需要解决的首要问题。该研究从光与物质相互作用的本质出发，通过第一性原理计算和实验研究发现，亚氧化钛（TinO2n-1）中存在的Ti-Ti二聚体结构导致Ti-3d电子在实空间的局域化，并在费米能级附近引入平带电子态，从而增强电子跃迁的联合态密度。如图1所示，金属性λ-Ti3O5在费米能级附近较宽的能量范围存在源于Ti-3d轨道的多重平带电子态，使得其在全太阳光谱范围内呈现出96.4%的吸光率。

图1. a，λ-Ti3O5晶体结构及Ti-Ti二聚体；b，λ-Ti3O5能带结构与电子态密度；c-e，λ-Ti3O5在不同波长光照下电子跃迁示意图（c-紫外，d-可见，e-近红外）；f，Ti4O7、β-Ti3O5和λ-Ti3O5实测反射光谱

利用第一性原理分子动力学模拟研究发现（图2），λ-Ti3O5最稳定的表面上的Ti-Ti二聚体能够将最初化学吸附的部分水分子分解为羟基（-OH）和氢（H），且二者分别与λ-Ti3O5表面Ti原子和O原子结合，导致λ-Ti3O5表面羟基化；此外，该表面特殊的U型槽结构能够促使快速的质子交换，使得羟基化表面上物理吸附的水分子层中易于形成亚稳的H3O*单元，可弱化含H3O*的水分子团簇与其周围水分子之间的氢键作用。结合实验验证，从本质上揭示了λ-Ti3O5表层水分子在光照条件下以团簇形式蒸发的机制，革新了水以单分子形式蒸发的传统认知。

图2. a，λ-Ti3O5（11 ̅0）表面的U型槽结构；b-e，水分子在λ-Ti3O5（11 ̅0）表面的吸附和分解第一性原理分子动力学模拟；f-g，水分子在λ-Ti3O5（11 ̅0）表面分解的能垒计算（f-表面吸附1个水分子，g-表面吸附2个水分子）；h， λ-Ti3O5（11 ̅0）表面不同水层中的氢键长度分布

基于上述理解，将光热转换材料λ-Ti3O5与聚乙烯醇（PVA）混合，制作出了三维多孔连通结构的蒸发器，在1个太阳光照条件下（1 kW m-2）获得了高达6.09 kg m-2 h-1的水蒸发速率，创造了长时间工作且无盐分析出的太阳能驱动光热水蒸发速率的新纪录（图3a，b）。进一步设计了户外海水淡化和淡水收集装置，置于东北大学南湖校区户外自然光照时的平均日收集淡水量达到23 L m-2 day-1（图3c-e），展现出了良好的应用前景。

图3. a，λ-Ti3O5-PVA三维多孔连通结构蒸发器的蒸发速率；b，不同光热转换材料蒸发器的蒸发速率与光-气转换效率比较; c，户外海水淡化装置；d，太阳光能量、淡水收集速率和收集淡水总量随时间变化；e，日平均光通量和淡水收集速率

该工作发现Ti原子二聚体化引入的多重平带电子态，据此提出了平带光热转换材料的新概念，研发出了全太阳光谱高吸收、低反射的λ-Ti3O5光热转换材料；结合三维多孔连通结构蒸发器设计，创造了光热水蒸发速率的世界纪录。研究结果为不仅设计开发高效光热转换材料提供了新的思路，而且为利用太阳能驱动海水淡化以及工业废水节能化处理提供了新的策略。

东北大学分析测试中心和中国科学院金属研究所分析测试中心在实验工作中提供了帮助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06509-3

2、上海交大Nature发文，在DNA计算领域取得重要进展

上海交通大学化学化工学院/变革性分子前沿科学中心樊春海院士与王飞副教授近期发展了一种支持通用性数字计算的DNA可编程门阵列（DNA-based programmable gate array, DPGA），可通过分子指令编程的方式实现通用数字DNA计算，实现了无衰减大规模液相分子电路的构建。该成果于9月13日发表于《自然》（Nature）杂志。

1994年，图灵奖得主Adleman提出利用DNA的碱基互补配对原则来发展生物计算。自那以后，基于DNA分子间相互作用的液相DNA分子计算，已在高并行编码与执行算法方面展现出巨大的潜能。此前，研究者利用DNA分子反应网络，成功实现了细胞自动机、逻辑电路、决策机器、神经网络等多种功能。然而，现有的DNA计算体系仅能针对特定功能进行硬件定制。而在电子计算机领域，通用性集成电路（如FPGA）可通过软件编程的方式执行各种运算功能，而无需从头设计制造硬件，这为研发计算机器提供了高阶平台。因此，如何发展具有通用性的DNA运算元件的编程与集成已成为制约DNA计算领域发展的瓶颈。

针对这一挑战性问题，研究团队首先证明了利用单链DNA作为统一传输信号（DNA-UTS），可实现类似电子在电路中传输的功能。进而，开发了一种支持通用性数字计算的DPGA，并支持器件层次的多DPGA集成，实现了器件内的可编程性和器件间可集成性。如（图1），当电路的复杂度超出单个DPGA可执行规模时，DPGA可分解为多个子任务，并生成对应的分子指令；每一个子电路的分子指令通过逻辑地址调用并连接参与运算的DNA元件，实现DPGA的编程；子电路之间的信号传输则通过DNA折纸寄存器介导的多DPGA布线实现，从而实现器件级的多DPGA集成。

图1

利用DPGA的可编程性与高集成度，本研究突破了DNA分子计算在电路规模和电路深度的瓶颈，首次在实验上展示了高达30个逻辑元件、500条DNA链，包含30层DNA链取代反应的电路规模。这也代表了近20年来DNA计算领域的新突破（图2）。

进一步的研究发现DNA-UTS在跨越多个DPGA传输的过程中没有显著衰减，证明了DPGA的高度可扩展性。这预示着任何实际问题，理论上都可以在模数转换后，通过DNA-UTS接入DPGA电路。本研究中概念性展示了将DPGA作为为分子诊断中的信息处理核心，对疾病相关的分子靶标进行非线性分类。

图2

这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、新基石科学基金会等项目的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06484-9

3、浙江大学Nature：一片水凝胶，做一个定时开机的“变形金刚”

变形在我们生活中随处可见，有的一触即发，有的循序渐进。来自浙江大学的学者创造了一种新的变形方式：在触发条件下，“变形金刚”先要“休眠”一段时间再启动变形，“休眠期”的长短由人为调控，就像安装了定时器。实际上，整个“变形金刚”只是一块成分均一的水凝胶，和我们吃的果冻和豆腐属于一个大家族。

简单的材料是如何做到定时响应的？9月13日上线的Nature杂志上 (Shape memory polymer with programmable recovery onset)，浙江大学化学工程与生物工程学院的谢涛教授和赵骞教授团队对其变形机理进行了深入阐述。研究团队认为，这类定时变形效应有望在深空深海、生物工程等领域发挥独特的作用。因为在许多场合中，“定时响应”是比“即时响应”更优的解决方案。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06520-8

4、清华大学Nature：对抗蚜虫和病毒

2023年9月13日，清华大学刘玉乐团队在Nature 在线发表题为“Molecular basis of methyl-salicylatemediated plant airborne defence”的研究论文，该研究揭示了水杨酸甲酯(MeSA)、水杨酸结合蛋白-2 (SABP2)、转录因子NAC2和水杨酸羧甲基转移酶-1 (SAMT1)形成的一个信号通路，用以介导AD对抗蚜虫和病毒。空气中的MeSA被邻近植物中的SABP2感知并转化为水杨酸。然后水杨酸引起信号转导级联，激活NAC2-SAMT1模块进行MeSA生物合成，诱导植物抗蚜免疫，减少病毒传播。为了对抗这种情况，一些蚜虫传播的病毒编码含有解旋螺旋蛋白的蛋白，通过与NAC2相互作用来亚细胞重定位和破坏NAC2的稳定，从而抑制AD。因此，植物对蚜虫的排斥程度降低，更适合蚜虫的生存、侵染和病毒传播。该研究揭示了AD和蚜虫-病毒共同进化的机制基础，证明AD是一种潜在的生物激励策略来控制蚜虫和病毒。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06533-3

5、香港城市大学报道具有高相纯度的MoS2纳米片的生产

2023年9月13日，香港城市大学Hua Zhang、英国伦敦帝国理工学院Anthony R. J. Kucernak共同通讯在Nature 在线发表题为“Phase-dependent growth of Pt on MoS₂ for highly efficient H₂ evolution”的研究论文，该研究报道了具有高相纯度的MoS₂纳米片的生产，并表明2h相模板促进了Pt纳米颗粒的外延生长，而1T ‘相支持单原子分散的Pt (s-Pt)原子，Pt负载高达10 wt%。研究发现，在s-Pt/1T′-MoS₂体系中，Pt原子占据三个不同的位置，密度泛函理论计算表明，位于Mo原子顶部的Pt原子的氢吸附自由能接近于零。这可能有助于在酸性介质中有效的电催化氢气析出，其中测量了s-Pt/1T’-MoS₂在-50 mV过电位下的质量活性为85±23 a mg_Pt^-1，质量标准化交换电流密度为127 a mg_Pt^-1，看到H型电池和原型质子交换膜电解槽在室温下运行时的稳定性能。虽然相稳定性的限制阻碍了高温下的操作，但预计1T ‘ -TMDs也将有效支持其他催化剂针对其他重要反应。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06339-3

原创文章，作者：菜菜欧尼酱，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/12/21/7ea52fcfa1/

太强了！国内高校一日5篇Nature！

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