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北大、中國農大2020年首日在《nature》發文 解決2大世界級難題

時間:2020-01-02 來源:iNature 作者:佚名 本文字數:3810字

  剛剛開年,北京大學和中國農業大學分別在國際頂級期刊《自然》上發表論文,真是開門紅,具體如下:

北京大學等研究團隊首次在實驗上證實了二維冰的存在

  2020年開年伊始,北京大學量子材料中心江穎、徐莉梅與美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成以及北京大學/中國科學院王恩哥等合作,利用高分辨qPlus型原子力顯微鏡技術,首次在實驗上證實了二維冰的存在,將其命名為二維冰I相,并獲得了二維冰邊界結構的原子級分辨成像,揭示了二維冰特殊的生長機制。該工作以“Atomic imaging of edge structure and growth of a two-dimensional hexagonal ice”為題,發表在國際頂級學術期刊《自然》上。

自然上發表的二維冰存在論文

北京大學在《自然》上首次在實驗上證實了二維冰的存在

  經過近百年的探索,人們已經發現了冰的18種三維晶體結構,其中自然界最常見的就是六角形的冰相。然而,是否有穩定存在的二維冰,學術界一直有很大爭議。

  近日,北京大學、美國內布拉斯加大學林肯分校以及中國科學院的研究團隊,利用高分辨qPlus型原子力顯微鏡技術,首次在實驗上證實了二維冰的存在,并以原子級分辨率拍到了二維冰的形成過程,揭示其特殊的生長機制。北京時間1月2日,該成果在國際頂級學術期刊《自然》發表。

  二維冰由兩層六角冰堆疊而成,兩層之間靠氫鍵連接

  早在20世紀20年代,英國著名物理學家、X射線發現者布拉格與其它幾位科學家便分別利用X射線“描繪”冰晶體結構,拉開了三維冰結構研究的序幕。2015年,石墨烯發現者安德魯·蓋姆帶領的團隊在雙層石墨烯間發現了一種四方二維冰相,轟動學術界,但這種二維冰隨后被質疑是氯化鈉的晶體結構,二維冰存在與否一直成謎。

  在此次研究中,科研人員精確控制溫度和水壓,在疏水的金襯底上,生長出一種單晶二維冰結構。他們將非侵擾式原子力顯微鏡成像技術運用于二維冰的亞分子級分辨成像,再結合理論計算確定了其原子結構。

  “結果表明,二維冰由兩層六角冰無旋轉堆疊而成,兩層之間靠氫鍵連接,每個水分子與同一層的水分子形成三個氫鍵,與上下層的水分子形成一個氫鍵,因此所有的氫鍵都被飽和,結構非常穩定,是一種可以獨立存在的‘自飽和’二維冰。”北京大學量子材料中心教授江穎說。

  此次研究發現的二維冰,不再是傳統的四面體結構,而是六邊形的二維平面結構,表面非常平整。1997年,美國科學家古賀、曾曉成等人利用分子動力學模擬首次預測了這種“互鎖型”雙層二維冰,但一直缺乏確切的實驗證據。因此,此次研究也是第一種被實驗所證實的二維冰結構,研究人員將它正式命名為“二維冰I相”.

  怎樣才能看到二維冰的形成?研究人員巧妙地將二維冰從-153攝氏度到“速凍”到-268攝氏度,把冰生長過程中的一系列中間狀態凍結下來,并對其進行了穩定的成像,最終看清了二維冰在原子尺度的動態生長過程。

  同時,他們結合理論計算和模擬,提出了二維冰島鋸齒狀邊界的“搭橋”式生長和扶椅狀邊界的“播種”式生長機制。而且,二維冰邊界亞穩態的相對穩定性,與襯底的具體結構幾乎無關。

二維冰示意圖

二維冰結構示意圖

  對于研發防結冰、潤滑材料意義重大

  長久以來,冰是如何成核、生長的,大都局限在宏觀尺度的研究,缺少微觀尺度上的圖像。該研究首次實現了二維冰成核生長的原子尺度表征,有助于人們理解冰在低維和受限條件下的形態和生長過程。

  二維冰的發現不僅挑戰了一百多年來人們對冰相的傳統認識,而且應用前景廣闊。“例如,我們最近發現二維冰對于三維冰的生長具有重要影響。如果有二維冰的存在,三維冰會貼著表面生長,非常穩固。但如果沒有二維冰,形成的三維冰與表面接觸面很小,很容易被風吹走。所以我們可以根據二維冰的結構更有針對性的設計和研發防結冰材料。”江穎認為,二維冰中水分子所有的氫鍵都被飽和,因此與表面的相互作用極小,可以起到超潤滑的作用。利用二維冰,可以減小材料之間的摩擦。

  同時,二維冰可以作為一種特殊的二維材料,為高溫超導電性、深紫外探測、冷凍電鏡成像等研究提供全新的平臺。

  “該研究打開了二維冰家族系列研究的大門,同時,這種二維冰的生長機理與以前所揭示的蜂窩二維材料,如石墨烯、氮化硼的生長機理,在成核和生長動力學方面有一定的類似性。”南京航空航天大學郭萬林院士評價,該研究改變了人們對二維冰成核和生長的傳統認識,對于材料科學、摩擦學、生物學、大氣科學以及行星科學等領域的研究有重要意義。

  中國科學技術大學楊金龍院士認為,該研究突破實驗挑戰,捕獲了二維冰生長過程中的邊界原子結構,結合理論計算模擬,揭示了二維冰的生長機制,為人們理解受限空間里冰的生長和形態提供了新視角,具有重要的科學意義。
 

中國農業大學李云開等人揭示中國的可持續發展模式

  為應對全球挑戰,有193個國家承諾實現17個聯合國可持續發展目標(SDGs)。量化實現可持續發展目標的進展,對于跟蹤全球在可持續發展方面的努力并指導政策制定和實施至關重要。但是,缺乏評估實現可持續發展目標的時空進展的系統方法。

  2020年1月1日,中國農業大學李云開及密歇根州立大學Liu Jianguo共同通訊在Nature 在線發表題為“Assessing progress towards sustainable development over space and time”的研究論文,該研究開發和測試系統的方法,以量化中國在國家和國家以下各級實現17個SDG的進展。

  該研究分析表明,從2000年到2015年,中國的SDG指數得分(代表實現所有17個SDG的總體績效的總得分)在全國范圍內有所提高。在此期間,每個省的SDG指數得分也都有所提高。跨地區的時空變化很大。例如,在2000年代,華東地區的SDG指數得分高于中國西部,2015年,華南地區的SDG指數得分高于華北。在全國范圍內,17個SDG中的13個得分隨著時間的推移而提高,但是四個SDG的得分卻下降了。這項研究表明,有必要在全球和其他國家追蹤實現可持續發展目標的時空動態。

  總而言之,這項研究提供了國家和國家以下各級所有17個可持續發展目標的時間可持續性評估。 因此,本文概述的方法對中國的監測工作具有價值。 該方法也可能為分析其他國家以及地方乃至全球層面的可持續發展目標進展的時空模式奠定基礎。最后,該文章被選為最新一期Nature 的封面文章(同時Nature 對于該文章進行了系統的點評,尤其是比較中國與美國的發展情況)。

中國農業大學在自然上發表論文

中國農業大學在《自然》上發表關于中國可持續發展模式的評估方法

  為了實現這些雄心勃勃的可持續發展目標,世界需要通過評估國家和國家以下各級過去和當前的狀況來監測所有17個可持續發展目標的進展。但是,尚無研究探討國家和國家以下各級向可持續發展目標邁進的時空動態。迫切需要這些信息,因為許多國家面臨人口增長,邊界內各地區發展不平衡以及快速發展的經濟體中資源匱乏時實現可持續性的挑戰。

  可持續發展的時空分析可以幫助各國確定熱點地區,以便采取有針對性的政策行動并跟蹤實現可持續發展目標的進展。隨著時間的推移,了解發達和發展中地區之間的可持續發展差異可以幫助一個國家平衡其整個地區的可持續發展。

中國的SDG指數得分和個人SDG得分的變化

中國的SDG指數得分和個人SDG得分的變化

  在這項研究中,研究人員開發了系統的方法來量化可持續發展目標,并通過對時空分布和人口最大的中國17個可持續發展目標的進展進行了全面的時空分析,從而提供了量化的證明。在過去的幾十年中,中國經歷了快速的經濟發展,這體現在其國內生產總值(GDP)的驚人增長中,并成為了世界第二大經濟體。但是,中國也面臨著巨大的社會經濟挑戰,例如收入和性別不平等,以及環境挑戰,例如水資源短缺和污染,能源短缺以及空氣和土壤污染。中國內部的這些社會經濟和環境挑戰因地區而異,并且隨著時間的推移而發生了顯著變化。中國正努力在復雜的環境和社會經濟挑戰與政策下實現可持續性。為了促進可持續發展,中國實施了各種政策,例如“西部大開發戰略”和“天然林保護計劃” .

  通過對一段時間內的可持續發展目標進行量化(評分),研究人員跟蹤了中國在國家和省以下(省級)實現可持續發展目標的進展。該研究解決了四個主要問題。首先,按照可持續發展目標衡量,中國的可持續發展在國家層面如何演變?其次,隨著時間的推移,中國各省的可持續發展有何變化?第三,隨著時間的推移,中國發達和欠發達省份之間的可持續發展差異如何演變?第四,不同的可持續發展目標之間的進展如何?

  為了回答這些問題,研究人員使用了2000年至2015年國家一級的17個SDG的年度時間序列數據,并計算了SDG指數得分(0-100),其中包括17個SDG的單個得分,代表了中國的總體實現所有17個SDG14的績效。根據2000年,2005年,2010年和2015年省級17個SDG的數據,檢測了中國各省SDG指數得分的時空變化。然后,研究人員比較了發達和發展中省份SDG指數得分隨時間的變化(由各省2000-2015年的平均人均GDP確定)。最后,通過比較各個SDG的得分,研究人員檢查了實現不同SDG的相對進展。

  該研究分析表明,從2000年到2015年,中國的SDG指數得分(代表實現所有17個SDG的總體績效的總得分)在全國范圍內有所提高。在此期間,每個省的SDG指數得分也都有所提高。跨地區的時空變化很大。例如,在2000年代,華東地區的SDG指數得分高于中國西部,2015年,華南地區的SDG指數得分高于華北。在全國范圍內,17個SDG中的13個得分隨著時間的推移而提高,但是四個SDG的得分卻下降了。這項研究表明,有必要在全球和其他國家追蹤實現可持續發展目標的時空動態。

  這項研究提供了國家和國家以下各級所有17個可持續發展目標的時間可持續性評估。因此,本文概述的方法對中國的監測工作具有價值。 該方法也可能為分析其他國家以及地方乃至全球層面的可持續發展目標進展的時空模式奠定基礎。

  祝賀北京大學和中國農業大學!

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