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材料學(xué)院研究團(tuán)隊報道高儲能密度無鉛介電材料新進(jìn)展

航院王兵團(tuán)隊在體相納米氣泡穩(wěn)定機(jī)制研究上取得新進(jìn)展

生命學(xué)院魏迪明課題組報道基于三螺旋的DNA變構(gòu)裝置的開發(fā)

交叉信息研究院曾堅陽課題組成功開發(fā)多肽和蛋白質(zhì)相互作用的深度學(xué)習(xí)模型

電機(jī)系合作研發(fā)的金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗(yàn)示范項目并網(wǎng)試驗(yàn)成功

深圳國際研究生院何宏輝、馬輝團(tuán)隊合作揭示生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用的偏振光學(xué)關(guān)鍵問題

天文系領(lǐng)銜揭示早期宇宙星際間重元素起源之謎

材料學(xué)院研究團(tuán)隊

報道高儲能密度無鉛介電材料新進(jìn)展

近日，清華大學(xué)材料學(xué)院南策文院士、林元華教授研究團(tuán)隊在無鉛儲能介電材料研究中取得重要進(jìn)展，通過對弛豫鐵電薄膜材料的穩(wěn)定的超順電設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了介電儲能性能的顯著提升，達(dá)到152J/cm

介電儲能電容具有充放電速度快、功率密度高、耐壓能力強(qiáng)等特性，在能源電力、電子電路系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。但介電電容的能量密度相對較低，開發(fā)具有高儲能密度、高效率的介電材料，是實(shí)現(xiàn)儲能器件小型化、集成化的核心，也是當(dāng)前材料科學(xué)研究的一個前沿和熱點(diǎn)。團(tuán)隊前期研究成果表明，具有納米鐵電疇結(jié)構(gòu)的弛豫鐵電薄膜是目前最有潛力的材料體系之一，已實(shí)現(xiàn)~100J/cm的儲能密度和60~80%的儲能效率。然而電疇翻轉(zhuǎn)能壘引起的損耗，限制了相關(guān)儲能性能的進(jìn)一步提升。

在這一工作中，團(tuán)隊提出超順電態(tài)設(shè)計以抑制介電損耗、提升儲能性能。與典型鐵電材料（在相變溫度以上電疇直接消失）不同，弛豫鐵電體具有彌散的相變過程，在“平均相變溫度”（對應(yīng)介電常數(shù)最大值）以上很寬的溫區(qū)內(nèi)仍可以保持一定的極性電疇結(jié)構(gòu)。在這一溫區(qū)（即超順電態(tài)）中，電疇體積相對于低溫態(tài)進(jìn)一步減小、耦合減弱，其翻轉(zhuǎn)能壘可降至與熱擾動同一量級，電疇因此可以更容易地發(fā)生極化翻轉(zhuǎn)，從而顯著抑制損耗。采用相場計算對多種弛豫鐵電成分的模擬結(jié)果表明，在超順電態(tài)溫區(qū)中儲能密度和效率可以實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化（圖1）。

圖1.弛豫鐵電中超順電態(tài)設(shè)計及其介電、極化、儲能性質(zhì)的相場模擬

團(tuán)隊設(shè)計制備了一系列Sm摻雜BiFeO-BaTiO（Sm-BFBT）的弛豫鐵電薄膜(厚度約0.6μm)，通過Sm離子引入的局域化學(xué)、結(jié)構(gòu)和電學(xué)異質(zhì)性，降低相變溫度，獲得滿足實(shí)際應(yīng)用需求的室溫超順電態(tài)（圖2）。寬溫區(qū)二階非線性光學(xué)（SHG）探測和高分辨掃描透射電子顯微鏡（STEM）等手段，證明了室溫超順電薄膜中仍保持若干個晶胞大小的極性電疇結(jié)構(gòu)和疇間耦合（圖3）。由此，在成分優(yōu)化的室溫超順電薄膜中獲得損耗的顯著抑制，并保持了較高的極化，從而實(shí)現(xiàn)了152 J/cm的高儲能密度和優(yōu)異的儲能效率（>90% @3.5 MV/cm; >77% @5.2 MV/cm）。同時，薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電循環(huán)可靠性（一億次循環(huán)后性能衰減小于5%），在-100－150oC溫度范圍內(nèi)亦保持性能穩(wěn)定。

圖2. Sm-BFBT超順電薄膜的介電、極化和儲能性能

圖3. SHG和STEM手段探究超順電的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理

相關(guān)成果以“超順電態(tài)弛豫鐵電中的超高儲能密度”（Ultrahigh energy storage insuperparaelectric relaxor ferroelectrics）為題，于10月1日在線發(fā)表于國際著名期刊《科學(xué)》（

航院王兵團(tuán)隊在體相納米氣泡

穩(wěn)定機(jī)制研究上取得新進(jìn)展

體相納米氣泡具有尺寸小、比表面積大、表面負(fù)載電荷等獨(dú)特物理性質(zhì)，其在工業(yè)清潔、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、醫(yī)學(xué)成像、醫(yī)療健康、污水治理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，近年來備受學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和醫(yī)學(xué)界的關(guān)注。雖然納米氣泡在各個領(lǐng)域的應(yīng)用取得快速進(jìn)展，并且成效顯著，但國際上始終沒有一種理論能夠?qū)λ姆€(wěn)定性機(jī)制給出完美解釋。清華大學(xué)航院王兵團(tuán)隊首次報道了幾納米至百納米尺度體相納米氣泡的分子動力學(xué)模擬結(jié)果，揭示了氣泡內(nèi)部及氣液界面特性，提出并檢驗(yàn)了一種納米氣泡穩(wěn)定性判據(jù)理論。

懸浮在液體中的納米氣泡始終處于布朗運(yùn)動，其很多物性難以用實(shí)驗(yàn)手段直接探測，故對其穩(wěn)定機(jī)制的解釋尚缺乏共識。王兵研究團(tuán)隊在國家自然科學(xué)基金的支持下，采用分子動力學(xué)模擬的手段，統(tǒng)計揭示了不同尺寸體相納米氣泡的物性，包括氣泡內(nèi)密度、壓強(qiáng)、表面電荷、表面分子結(jié)構(gòu)，以及氣體擴(kuò)散特性等。在獲得這些物性的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步對納米氣泡涉及力學(xué)與電學(xué)效應(yīng)的界面力平衡，進(jìn)行了靜力學(xué)分析，對氣泡內(nèi)外氣體互換擴(kuò)散平衡進(jìn)行了動力學(xué)分析，進(jìn)而結(jié)合理論假設(shè)分析了其維持上述平衡狀態(tài)的機(jī)制，從而提出了體相納米氣泡穩(wěn)定性判據(jù)。

研究表明，體相納米氣泡內(nèi)部氣體處于高密度（數(shù)十kg·m）狀態(tài)；氣泡界面負(fù)載雙層電荷，其中內(nèi)層為正電荷，外層為負(fù)電荷，表面電荷的靜電斥力可以部分抵消氣液界面的表面張力；氣液界面處的氫鍵結(jié)構(gòu)則遭到一定程度破壞或削弱，降低了界面的表面張力；上述特性皆有利于納米氣泡保持穩(wěn)定。理論分析表明，穩(wěn)定納米氣泡所處的懸浮液中，氣泡約束的氣體分子數(shù)量應(yīng)大于溶解于液體中的自由氣體分子數(shù)量的50%。此外，溶解氣體的過飽和性應(yīng)是納米氣泡的穩(wěn)定維持的必要條件。本研究成果有助于推進(jìn)體相納米氣泡的深度精準(zhǔn)應(yīng)用。

體相納米氣泡示意圖及穩(wěn)定性判據(jù)

9月28日，王兵研究團(tuán)隊在《朗繆爾》（該文通訊作者為航院長聘教授王兵，第一作者為其指導(dǎo)的博士生高瞻，作者還包括研究團(tuán)隊的孫衛(wèi)濤副研究員和北京理工大學(xué)吳汪霞博士后。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.1c01796

生命學(xué)院魏迪明課題組

報道基于三螺旋的DNA變構(gòu)裝置的開發(fā)

自問世以來，DNA納米結(jié)構(gòu)憑借其優(yōu)異的可編碼性，已在諸如藥物遞送、環(huán)境監(jiān)測、生物計算、智能材料等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)出可觀的應(yīng)用前景。與此同時，在DNA納米結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷探索中，人們對結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、靈活性及功能化等方面的認(rèn)識愈漸深入，相關(guān)設(shè)計理念和設(shè)計經(jīng)驗(yàn)得以不斷積累和豐富。眾多特殊的核酸結(jié)構(gòu)也開始被應(yīng)用于納米元件的設(shè)計中，如三螺旋和四聯(lián)體等。這些非常規(guī)的核酸結(jié)構(gòu)具有著與雙螺旋截然不同的理化性質(zhì)，一定程度上擴(kuò)充了核酸納米結(jié)構(gòu)設(shè)計的工具庫。

變構(gòu)調(diào)節(jié)是自然界經(jīng)漫長時間進(jìn)化出來的一種在生命活動中非常普遍、高效的調(diào)節(jié)方式。對于許多在生命活動中具有重要作用的酶來說，其作用于底物的活性會受到其他配體的調(diào)節(jié)。一般來講，這些配體通過結(jié)合到酶的某個位點(diǎn)（變構(gòu)位點(diǎn)，不同于正構(gòu)位點(diǎn)。）從而使酶的構(gòu)象發(fā)生變化以調(diào)節(jié)酶與其底物的結(jié)合，增強(qiáng)或抑制酶的活性。正因其調(diào)節(jié)的可控性，變構(gòu)調(diào)節(jié)已經(jīng)被應(yīng)用于核酸納米設(shè)計中以實(shí)現(xiàn)底物的裝配、釋放以及動力學(xué)控制等目的。然而迄今為止，從調(diào)控機(jī)理而言，這些人工設(shè)計的核酸變構(gòu)元件的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遜于天然進(jìn)化出的變構(gòu)酶。究其原因，一是配體種類有限（特定的蛋白或小分子），二是完成方式單一（DNA雙螺旋的打開或關(guān)閉）。

近日，清華大學(xué)生命學(xué)院魏迪明課題組發(fā)文報道基于三螺旋的DNA變構(gòu)裝置的開發(fā)。在本研究中，作者設(shè)計了以三螺旋作為變構(gòu)位點(diǎn)的Z-switch結(jié)構(gòu)，三螺旋是在普通的Watson-Crick雙螺旋的基礎(chǔ)上，第三條鏈以Hoogsteen堿基配對的方式形成三股螺旋。第三條鏈（TFO）作為配體參與變構(gòu)調(diào)節(jié)。TFO與變構(gòu)位點(diǎn)的結(jié)合可以調(diào)節(jié)Z-switch結(jié)構(gòu)的活性位點(diǎn)進(jìn)而影響其自組裝活性。作者通過研究多組不同初始狀態(tài)的Z-switch結(jié)構(gòu)變構(gòu)調(diào)節(jié)前后的構(gòu)象變化，進(jìn)行系統(tǒng)的篩選和比對，得到理想的變構(gòu)模型。該結(jié)果與理論預(yù)期高度吻合，同時該結(jié)果在不同Z-switch結(jié)構(gòu)中的成功應(yīng)用也確定了其魯棒性和可推廣性。

圖1.基于三螺旋設(shè)計DNA變構(gòu)元件——Z-switch。TFO鏈作為變構(gòu)調(diào)節(jié)配體，可改變Z-switch的構(gòu)象，調(diào)控活性位點(diǎn)a*和b*，從而調(diào)控Z-switch的自組裝活性。這一模型經(jīng)驗(yàn)證不依賴于特定種類的Z-switch，可進(jìn)一步推廣到其它種類的Z-switch。

接下來，作者應(yīng)用該變構(gòu)調(diào)節(jié)策略模仿一些天然蛋白，成功地實(shí)現(xiàn)了多種變構(gòu)調(diào)節(jié)配體的共調(diào)節(jié)模式，并且實(shí)現(xiàn)了對不同反映途徑的選擇性控制。此外，由于作者選用TFO作為變構(gòu)調(diào)節(jié)配體，利用其相對其他配體（蛋白或小分子）而言優(yōu)良的可編碼性，得以實(shí)現(xiàn)更為靈活的調(diào)節(jié)方式，包括經(jīng)典布爾邏輯門等的邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)元件以及較為復(fù)雜的運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)。

圖2.基于三螺旋的Z-switch變構(gòu)元件在邏輯運(yùn)算中的應(yīng)用?；赥FO的序列豐度，多種TFO鏈可作用于同一Z-switch變構(gòu)元件或同一系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能(邏輯門運(yùn)算或較為復(fù)雜的函數(shù)運(yùn)算)。

本研究拓展了變構(gòu)調(diào)節(jié)在核酸納米結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，建立了新的調(diào)節(jié)模型，確立了篩選流程，豐富了調(diào)節(jié)機(jī)理和完成方式，對今后DNA變構(gòu)元件的研究以及應(yīng)用具有重要的意義。

該研究成果由生命學(xué)院魏迪明分子設(shè)計課題組（MADlab）完成，論文題為“基于三螺旋DNA設(shè)計納米變構(gòu)元件”（Rational design of allosteric nanodevices based on DNA triple helix），于10月4日在線發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會志》（

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07824

交叉信息研究院曾堅陽課題組

成功開發(fā)多肽和蛋白質(zhì)相互作用的深度學(xué)習(xí)模型

近日，清華大學(xué)交叉信息研究院曾堅陽課題組成功開發(fā)了一個基于序列的多尺度預(yù)測多肽和蛋白質(zhì)相互作用的深度學(xué)習(xí)模型。該研究為多肽和蛋白質(zhì)相互作用的機(jī)制提供了一個高效的預(yù)測框架，可以在為多肽藥物預(yù)測結(jié)合靶點(diǎn)的同時，識別多肽序列上的結(jié)合位點(diǎn)。

多肽和蛋白質(zhì)的相互作用在生物體內(nèi)起到關(guān)鍵的作用，參與多種細(xì)胞過程，比如信號傳導(dǎo)、基因表達(dá)調(diào)控、細(xì)胞增殖和凋亡。識別和解析多肽和蛋白質(zhì)的相互作用及其機(jī)制，有助于為多肽藥物精準(zhǔn)定位靶點(diǎn)，并為多肽藥物的化學(xué)修飾提供信息，從而加速多肽藥物的研發(fā)進(jìn)程。

目前主流的計算框架，分別基于序列的和基于結(jié)構(gòu)來識別蛋白質(zhì)和多肽配體的相互作用。然而，這些方法主要集中于識別蛋白質(zhì)表面與多肽結(jié)合結(jié)合的殘基，無法直接提取多肽序列中的結(jié)合殘基。此外，基于結(jié)構(gòu)的方法需要用到三維結(jié)構(gòu)信息，但通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法測定得到的蛋白質(zhì)-多肽復(fù)合物的結(jié)構(gòu)非常昂貴且耗時。在本項研究中，作者提出了名為CAMP的深度學(xué)習(xí)框架，用于同時預(yù)測多肽-蛋白相互作用（PepPIs）和識別多肽序列上的結(jié)合殘基。

CAMP的模型框架圖

CAMP將蛋白質(zhì)和多肽的氨基酸序列、二級結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、序列靈活性得分和蛋白質(zhì)的PSSM矩陣作為模型輸入，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模塊和自注意力機(jī)制（self-attention）來預(yù)測給定的肽-蛋白對之間是否存在相互作用，同時識別多肽序列上的結(jié)合位點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在多種數(shù)據(jù)劃分的設(shè)定下，CAMP在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)均優(yōu)于現(xiàn)有的方法。此外，測試結(jié)果和案例分析表明，CAMP可以準(zhǔn)確地預(yù)測多肽序列上的結(jié)合殘基，從而為進(jìn)一步理解多肽與蛋白質(zhì)的結(jié)合機(jī)制提供有效的幫助。最后，作者進(jìn)一步研究了CAMP在三個相關(guān)任務(wù)中的應(yīng)用潛力，即多肽-蛋白結(jié)合域相互作用預(yù)測（peptide-PBDinteraction）、結(jié)合親和力評估和多肽的虛擬篩選。結(jié)果表明，CAMP在這三個相關(guān)任務(wù)上均獲得出色表現(xiàn)。

綜上所述，作者開發(fā)了一個多層次的多肽-蛋白相互作用預(yù)測的深度學(xué)習(xí)框架（CAMP），以同時預(yù)測多肽和蛋白質(zhì)之間存在相互作用和識別多肽序列的結(jié)合殘基。該方法使用多通道特征提取器分別處理數(shù)值特征和分類特征，以避免多源特征的不一致性。此外，作者通過和現(xiàn)有方法比較，驗(yàn)證了CAMP擁有更優(yōu)的性能，同時展示了CAMP在peptide-PBD相互作用預(yù)測、多肽-蛋白質(zhì)的親和力評估和多肽的虛擬篩選方面的應(yīng)用潛力。這些結(jié)果表明，CAMP可以提供準(zhǔn)確的肽-蛋白相互作用預(yù)測，并有助于研究者理解多肽與蛋白質(zhì)結(jié)合的潛在機(jī)制。

相關(guān)成果“一個多層次多肽-蛋白相互作用預(yù)測的深度學(xué)習(xí)框架”（A deep-learning framework for multi-level peptide–protein interaction prediction）于近日在《自然·通訊》（

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25772-4

電機(jī)系合作研發(fā)的

金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗(yàn)示范項目并網(wǎng)試驗(yàn)成功

9月30日，由清華大學(xué)作為主要技術(shù)研發(fā)方的世界首個非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站——江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗(yàn)示范項目并網(wǎng)試驗(yàn)成功，向國家電網(wǎng)發(fā)出我國首個大型壓縮空氣儲能電站第1度電，標(biāo)志著我國新型儲能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用取得重大進(jìn)展。中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)電機(jī)系教授盧強(qiáng)，中鹽金壇鹽化有限公司總經(jīng)理管國興、華能江蘇能源開發(fā)有限公司董事長曹慶偉在現(xiàn)場見證了這一重要時刻。

清華大學(xué)壓縮空氣儲能技術(shù)團(tuán)隊

作為技術(shù)研發(fā)方，清華大學(xué)電機(jī)系組建了專業(yè)的技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊為該項目提供技術(shù)支持，并由清華大學(xué)電機(jī)系教授、青海大學(xué)副校長梅生偉出任項目首席科學(xué)家，清華大學(xué)電機(jī)系助理研究員薛小代出任項目總工程師。依托清華大學(xué)非補(bǔ)燃先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)，項目申請專利百余項，建立了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系；研發(fā)了高負(fù)荷離心壓縮機(jī)、高參數(shù)換熱器、大型空氣透平等核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了主裝備完全國產(chǎn)化。在“中國標(biāo)準(zhǔn)”創(chuàng)建方面，該項目發(fā)布了我國首個壓縮空氣儲能電站KKS編碼標(biāo)準(zhǔn)、立項壓縮空氣儲能首個國家標(biāo)準(zhǔn)、首個電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及三個團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，逐漸形成中國壓縮空氣儲能標(biāo)準(zhǔn)體系。

電站集控室

該項目于2017年獲國家能源局立項，是我國在壓縮空氣儲能領(lǐng)域唯一國家示范項目，也是國家能源局和江蘇省重點(diǎn)推進(jìn)項目，由中鹽集團(tuán)、中國華能和清華大學(xué)共同開發(fā)，一期工程發(fā)電裝機(jī)60兆瓦，儲能容量300兆瓦時，遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)模1000兆瓦。

電站儲熱系統(tǒng)

儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。地下鹽穴具有儲氣容量大、密封性好、安全性高的天然優(yōu)勢，可為壓縮空氣儲能提供優(yōu)良的儲氣條件。鹽穴壓縮空氣儲能是一種利用地下鹽穴儲氣的大容量物理儲能技術(shù)，其利用低谷電將空氣壓縮到鹽穴中，用電高峰時再釋放壓縮空氣發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和新能源消納能力，具有容量大、壽命長、安全環(huán)保等優(yōu)勢，是一種極具發(fā)展前景的大規(guī)模清潔物理儲能技術(shù)。

面對新型電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)對大規(guī)模儲能技術(shù)的需求，盧強(qiáng)、梅生偉團(tuán)隊歷經(jīng)十年攻關(guān)，提出了基于壓縮熱回饋的非補(bǔ)燃先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)，攻克了壓縮、蓄/換熱、大容量儲氣、高效膨脹發(fā)電以及儲網(wǎng)控制調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，為“金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗(yàn)示范項目”的順利實(shí)施奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

梅生偉（右）在工程現(xiàn)場

據(jù)梅生偉介紹，此次并網(wǎng)試驗(yàn)成功驗(yàn)證了鹽穴儲氣、儲熱換熱、新型空氣透平發(fā)電系統(tǒng)所有首臺套設(shè)備的研制成果，為非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，是壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要里程碑，將為我國壓縮空氣儲能乃至能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力支撐。

透平發(fā)電系統(tǒng)

作為世界首個鹽穴非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站，該項目所有主設(shè)備均為國產(chǎn)首臺套，既要面臨設(shè)備研發(fā)難題，又要面對首次集成困難，更有電站建設(shè)和運(yùn)維缺乏標(biāo)準(zhǔn)、毫無經(jīng)驗(yàn)可循的巨大挑戰(zhàn)。面對挑戰(zhàn)和重任，項目承擔(dān)方充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，中鹽集團(tuán)利用先進(jìn)的造腔和注采技術(shù)，承擔(dān)地下儲氣庫建設(shè)；中國華能發(fā)揮電力專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，承擔(dān)項目的建設(shè)和運(yùn)維。

電站全景

作為清華大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作的典范，該項目得到了國家能源局、江蘇能源局、國家電網(wǎng)、常州市及金壇區(qū)政府等單位的大力支持和協(xié)助。通過本項目將建成世界首個大型非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站，打造新型儲能行業(yè)標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲能技術(shù)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建、工程及商業(yè)運(yùn)營示范三大目標(biāo)；同時加快推進(jìn)金壇二期壓縮空氣儲能項目建設(shè)工作，也將為構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)提供儲能新方案，為我國早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

深圳國際研究生院何宏輝、馬輝團(tuán)隊

合作揭示生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用的偏振光學(xué)關(guān)鍵問題

作為一種電磁波，光具有強(qiáng)度、波長、相位和偏振等基本特性。其中光的偏振屬于矢量性質(zhì)，其高維度的特性決定了偏振的測量和表征較為復(fù)雜。由于人眼可以直接或間接觀察到光的強(qiáng)度、顏色（波長）、相位信息，因此基于上述基本屬性的光學(xué)方法發(fā)展歷史較為悠久，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。與此相比，人眼不具有感知偏振的能力，因此基于偏振的光學(xué)方法發(fā)展相對較晚。然而近年來隨著新的精密偏振器件、探測器，及測量優(yōu)化校準(zhǔn)方法不斷出現(xiàn)，偏振光學(xué)方法具有的獨(dú)特優(yōu)勢正在引起關(guān)注。如今，偏振光學(xué)已在多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，覆蓋從基礎(chǔ)物理如量子物理研究，到各類應(yīng)用如材料表征以及生物醫(yī)學(xué)檢測等多個方面。因其具備攜帶的信息量大、無需外源性標(biāo)記、兼容各類已有光學(xué)儀器等諸多優(yōu)勢，偏振光學(xué)方法在生物醫(yī)學(xué)研究及臨床實(shí)踐中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

圖1.光的偏振性質(zhì)及生物樣品的作用

近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院何宏輝、馬輝團(tuán)隊與牛津大學(xué)何超、馬丁·布斯（Martin Booth）團(tuán)隊?wèi)?yīng)邀撰寫評述文章，簡要介紹了偏振光學(xué)基礎(chǔ)，系統(tǒng)總結(jié)了在生物醫(yī)學(xué)研究中偏振測量及成像技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，面向生物醫(yī)學(xué)樣本的偏振信息提取和參數(shù)分析的方法，并展示了在薄樣本透射偏振成像/厚組織反射偏振成像中的典型應(yīng)用，以及和其他技術(shù)結(jié)合的多模態(tài)生物醫(yī)學(xué)檢測方法等。綜述文章討論了若干近期的偏振成像測量技術(shù)突破，展望了偏振光學(xué)方法在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

圖2. 穆勒矩陣及其內(nèi)部“編碼”的物理信息

通過介紹偏振光學(xué)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基本數(shù)學(xué)工具，作者將生物醫(yī)學(xué)偏振計和橢偏測量術(shù)的發(fā)展進(jìn)行對比，總結(jié)了復(fù)雜散射體系與非散射體系偏振測量需求的差異?？紤]到生物醫(yī)學(xué)樣品，如組織、細(xì)胞等常常具有較為顯著的散射特性，因此常用一個四維斯托克斯矢量描述光的偏振狀態(tài)，此時入射光與樣品的散射相互作用可由一個4×4偏振變換矩陣-即穆勒矩陣表征，其第一個矩陣元代表我們熟知的非偏振光學(xué)特征，其余陣元反映樣品的不同偏振光學(xué)屬性。由此可見，偏振光學(xué)方法可提供樣品的大量信息。

此外，由于光的偏振態(tài)調(diào)制器件不影響光的傳播方向，通過在光路中增加偏振器件即可在保持顯微鏡、內(nèi)窺鏡等原有光學(xué)成像及測量設(shè)備工作方式不變的情況下，拓展其獲取生物醫(yī)學(xué)樣品微觀結(jié)構(gòu)信息的能力。針對生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，綜述沿著偏振測量及成像技術(shù)-偏振信息提取、參數(shù)分析-組織和細(xì)胞的偏振成像及測量應(yīng)用等三個方面進(jìn)行了系統(tǒng)回顧總結(jié)。綜述最后結(jié)合當(dāng)下快速發(fā)展的機(jī)器學(xué)習(xí)、非線性光學(xué)、超表面等技術(shù)，對偏振光學(xué)方法在生物醫(yī)學(xué)研究及臨床應(yīng)用中的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為相關(guān)研究提供了指導(dǎo)。

圖3. 偏振生物醫(yī)學(xué)方法的潛在多模態(tài)連用

相關(guān)內(nèi)容近期以“面向生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用的偏振光學(xué)”（Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review）為題發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》（

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41377-021-00639-x

天文系領(lǐng)銜揭示早期宇宙星際間重元素起源之謎

清華大學(xué)天文系通過毫米波陣列觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙早期星際間中的重元素，可能起源于一億個太陽光度的巨大星系的反饋?zhàn)饔茫@一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了國際上現(xiàn)有的星系形成理論。

星際間介質(zhì)中的重元素存在之謎

在宇宙中，絕大部分物質(zhì)不在星系里，而在星系之間。這部分彌散在星系之間廣袤空間里的物質(zhì)，被稱為星際間介質(zhì)。在宇宙大爆炸之后不久，宇宙中只存在大量的氫、氦和少量的鋰，而沒有更重的元素（例如碳、氮、氧等元素）。但是天文學(xué)家們從距離大爆炸僅9億年的宇宙中，確認(rèn)了星際間已經(jīng)存在較重的元素。在觀測宇宙學(xué)中，一個關(guān)鍵的問題就是如何理解早期宇宙中的重元素從何而來，以及它們又是如何到達(dá)星際間的。

現(xiàn)代宇宙學(xué)理論指出，星際間的重元素主要起源于小質(zhì)量星系的恒星星風(fēng)或黑洞的反饋?zhàn)饔?。這些理論預(yù)言，小質(zhì)量星系活動是宇宙重元素起源的原因。

清華大學(xué)天文系蔡崢副教授所領(lǐng)導(dǎo)的項目，利用國際上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，位于智利北部的阿卡塔瑪沙漠中的ALMA毫米波陣列，對“宇宙早期重元素起源”這一問題進(jìn)行了研究。清華大學(xué)利用ALMA對準(zhǔn)了位于宇宙早期，宇宙學(xué)紅移為6.04處的類星體J2054-0005光譜中的一個氧吸收體（距今125億光年）。在進(jìn)行了仔細(xì)地數(shù)據(jù)分析和處理后，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)一個候選星系，此候選星系與氧吸收體的距離約6萬光年。這個星系的光度達(dá)到了太陽光度的1億倍，該星系暗物質(zhì)暈總質(zhì)量達(dá)到4千億個太陽質(zhì)量。團(tuán)隊進(jìn)一步將這個星系與國際上流行的宇宙學(xué)數(shù)值模擬理論進(jìn)行了對比，令人驚訝的是，這次所發(fā)現(xiàn)的星系，要比理論預(yù)言的重1-2個數(shù)量級。這一觀測清晰地表明，大質(zhì)量星系的活動對早期宇宙的元素增豐可能比之前理論預(yù)言得重要得多。該文結(jié)果為宇宙早期重元素起源之謎提供了新的見解，為理論提供了全新的觀測挑戰(zhàn)。

相關(guān)研究成果于9月27日在線發(fā)表于《自然·天文》（

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41550-021-01471-4

來源| 材料學(xué)院 航院 生命學(xué)院交叉信息研究院電機(jī)系深圳國際研究生院 天文系

排版 & 編輯| 張佳雯

校對 | 苑潔 李婧

責(zé)編 | 趙姝婧