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一周前沿科技盘点丨一直被当作"爱神的花篮",没想到它还是完美的生物陶瓷支架;
千里之外的蝴蝶振翅,什么时刻会变成呼啸的龙卷风?


发布日期: 2024- 02- 05 信息来源: 园区发展建设处 字体:[ ]

"偕老同穴"以其美好寓意的名字成为婚庆"吉祥物",作为一种生活在深海的海绵动物,有着独特的生理结构。最近,科学家基于它开发出一种天然衍生的柔性生物陶瓷支架,有望用作颅骨、眶骨等骨组织的修复材料。

"涌现"指个体因循简单规则相互作用、构成一个整体后,一些新的属性会突然在系统层面诞生,比如蚁群有条不紊地聚集搬运食物。近期,复旦大学学者对动力学网络开展了系统性分析,建立了一套预测复杂系统脉冲振荡涌现临界点的计算框架。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆,我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天,为大家带来第七十七期。

1、《Matter》丨一直被当作"爱神的花篮",没想到它还是完美的生物陶瓷支架


天然衍生的柔性生物陶瓷支架的制备示意图

偕老同穴是一种生活在深海的海绵动物,外形如织物织出的细长花瓶,具有由二氧化硅骨针纤维所构成的笼型网格状宏观结构,而骨针纤维具有同心圆层状微观结构。俪虾常常一雄一雌幼年时进入偕老同穴并"定居"。偕老同穴外部的薄层细胞如同网兜,海水流入的同时可以"网"住大量浮游生物,因此俪虾无需外出觅食。而随着体型长大,俪虾"夫妇"再也走出不这个"屋子",自然就成双成对地"白头到老"了。因此形成了这样一种风俗--把装有一对俪虾的偕老同穴赠与新婚夫妇,并称之为"爱神的花篮"。

近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁团队通过将偕老同穴的二氧化硅天然海绵骨架在氢氧化钙溶液中进行低温水热矿化处理,在二氧化硅基体表面原位生长出水合硅酸钙,实现了生物活性层和基体之间的紧密结合,获得了一种天然衍生的生物陶瓷支架。

该支架可以任意切割,裁剪为特定形状,且具有远高于传统生物陶瓷和生物陶瓷基复合支架的抗弯强度和断裂韧性,以及轻质高强的力学特性。进一步的实验表明,这种天然衍生的柔性生物陶瓷支架可以支持血管生成及骨再生,其有望在颅骨、眶骨等薄壁不规则骨组织的修复中应用,并为先进生物陶瓷的制造拓展新思路。

2、《Physical Review Research》丨千里之外的蝴蝶振翅,在什么时刻会变成呼啸的龙卷风?

动力学网络从稳态突变至脉冲振荡

动力学网络的群体状态会在内外环境变化达到临界值时发生剧烈变化,导致它们从一个稳定状态突变至另一截然不同的状态。此类临界值通常被称为复杂系统的突变点,数十年来受到来自数学、物理、生物、医学、社会科学、人工智能等不同领域专家广泛关注。复杂系统的状态突变,一方面可能会导致系统崩溃进而破坏系统功能,如生态系统的物种灭绝、基因蛋白质稳态丧失会引发疾病等;另一方面,复杂系统新状态的涌现也有助于创造新的系统功能,如大模型的涌现提升了任务性能、视交叉上核中神经元集群节律振荡的涌现调控了全身昼夜节律满足人体日常需求。

近年来,动力学网络从稳态突变至脉冲振荡的现象普遍存在却鲜有学者研究。脉冲振荡通常在具有多时间尺度的动力学网络中涌现,如视交叉上核中的神经元节律振荡、基因调控网络中的蛋白质脉冲信号和生态系统中的长时间尺度物种波动等。此类涌现现象背后的动力学机理仍不清晰,也缺少预测突变点的计算框架。

对此,复旦大学智能复杂体系基础理论与关键技术实验室秦伯韡、林伟对动力学网络开展了系统性分析,通过结合动力学降维方法与快慢系统摄动理论,建立了一套预测复杂系统脉冲振荡涌现临界点的计算框架。该研究为未来调控复杂系统状态及设计具有某类特定功能、特别响应的动力学网络提供了数学方法与原理的指引。

3、《Nature Communications》丨用压电材料"搭积木",玩转多轴精密运动调控

压电超表面及其在自适应光学应用

压电材料因其能够实现机械能与电能相互转换,在精密驱动等应用场景中发挥着重要作用。随着机器人视觉、精密光学仪器、微纳制造装备等系统正在朝着高度集成化和智能化方向发展,如何在紧密空间实现多轴精密运动调控已成为当前亟待解决的关键问题。

针对上述问题,西安交通大学电信学部电子学院高翔宇、李飞等人提出压电超表面的设计思想,通过对压电基元几何形状、序构方式、力学边界结构的多重构筑,突破现有压电材料多自由度结构复杂、应变难以进一步提高的瓶颈,实现了六自由度的直线运动、旋转运动及多轴耦合运动,为多功能型压电驱动方式提供了新思路。基于上述压电超表面设计,团队利用高性能透明压电单晶研制了对焦、防抖一体化的微型自适应变焦透镜,为多功能一体化智能光学系统提供了设计方案。

4、《Earth and Planetary Science Letters》丨他们到深海,探寻可燃冰让生命之火延绵不绝的秘密

原位实验示意图

一直以来,地球上大多数生态系统依赖光合作用,深海的黑暗、高压、低氧环境则被认为不适宜生物生存。近年来,深海探测技术的进步揭示了深海冷泉生态系统,重新定义了生命的边界。冷泉区以化能合成为基础,甲烷是其生物群落的主要能量来源。

中国科学院海洋研究所张鑫研究团队自主研制深海原位实验室平台,在南海冷泉区进行多次原位实验后发现,在冷泉喷发活动中,大量甲烷水合物迅速形成。喷发活动减弱或停止后,甲烷水合物分解释放出甲烷;尽管冷泉喷发间断,但冷泉生物群落总体规模未见明显变化,冷泉底层水体的物理化学参数整体稳定。

面对上述悖论,研究团队揭示了冷泉沉积物中浅表层天然气水合物(可燃冰)是冷泉化能合成生态系统繁荣稳定的缓冲器(电容器),强调其在生物地球化学过程中的主导作用。他们强调,大型动态"电容器"构成了潜在的大规模天然海底碳汇,对全球碳循环和气候变化具有潜在的影响。

5、《Physical Review Letters》丨交错磁体,前景可期

(a-b) 交错磁体RuO2的晶体结构和磁结构;(c-d) 交错磁体RuO2在倒空间的自旋极化费米面和在实空间的自旋极化电荷密度

磁性是固体物理学中一个古老且迷人的议题,有着极其丰富的物理内容和不断涌现的新问题。在磁性材料中,由于原子之间的交换相互作用,自旋磁矩平行或反平行排列,形成最常见的铁磁体和反铁磁体,已被人们知晓并研究了一个世纪之久。在过去的二十年里,人们开始探索非共线磁体的奇妙世界,包括自旋螺旋、斯格明子和自旋冰等。然而,非共线磁体的磁结构过于复杂且在外场下通常不能稳定存在,不利于在自旋电子学器件等方面的实际应用。

最近,研究人员发现了一种新的共线磁体--交错磁体。交错磁体具有铁磁体和反铁磁体的二象性:一方面,它类似于反铁磁体,净磁化强度为零;另一方面,它类似于铁磁体,存在非相对论自旋劈裂。尽管交错磁性被发现不久,却逐渐成为磁性材料领域的研究热点。

北京理工大学物理学院姚裕贵、冯万祥教授团队发现交错磁体RuO2存在极强的晶体热输运现象。他们探索出晶体热输运起源于三种物理机制:外尔赝节线、交错赝节面、交错阶梯跃迁。这三种物理机制都会产生较大的贝里曲率,但是后两种机制是交错磁体中所独有的,对晶体热输运起主导作用。此外,受拓扑节线能带的影响,反常Wiedemann-Franz定律可以维持在150 K以下,打破了通常铁磁体只在零温极限下才成立的常识。该研究工作揭示了交错磁体特有的晶体热输运现象,为实现自旋卡诺电子学器件提供了新的材料平台。

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