科研进展--中国科学院广州分院

基于卫星遥感技术的发展，我们在树木初级生长（开花、展叶和发芽等）对气候变化的响应方面取得了一系列突破性进展。但由于树木木质部物候的监测数据十分稀少，学界较少关注树木木质部物候的变化，这阻碍了对森林大空间尺度碳收支的评估和预测。而且近年来逐渐有报道指出虽然全球植被绿度、叶子面积以及CO2吸收量显著增大，但木质部的生长量并没有相应的增加。目前全球范围内极端气候频发、温度波动大，但木质部物候对温度波动的响应在大尺度范围内的研究尚属空白。目前主要通过微树芯（Microcoring）方法监测树木木质部物候，但微树芯方法及其随后的实验室处理过程相当耗时耗力。为此，我们与全世界使用该方法的45位研究者合作，得到了一个覆盖北半球（23-66°N）且横跨寒带、温带、地中海和亚热带75个研究样地的20个针叶树种的木质部物候监测大数据集。我们发现随着温度波动的增大，木质部春季物候存在趋同现象，即木质部细胞倾向于在一年中的6月5号开始增大，而在夏至日开始细胞壁增厚（图1）。值得一提的是，中国24节气之一的芒种大约在6月5号，自这天起，北半球大部分地区雨水开始增多，木质部细胞增大需要充足的水分产生膨胀压力。细胞壁增厚更依赖于光合产物，而夏至日这天是全年中光照最强的时候从而有利于光合作用。因此，我们认为在温度波动大，也就是外部环境不可预测的时候，树木倾向于选择一种相对保守的生长策略，即只在能确保充足水分和光照的确定时间节点开始启动木质部生长。基于这一结果，值得我们思考的是在未来全球变暖的同时，极端温度频发的话，树木是会响应变暖而使春季物候提前，还是在确定的6月5号和夏至日分别开始细胞增大和细胞壁加厚？如果是后者的话，在温度波动大的地区森林响应气候变暖的程度可能不如我们期待的大，而且物候趋同会增加树木对水分、养分等资源的竞争，进而影响森林结构和生产力等。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Current Biology（《当代生物学》）上。中国科学院华南植物园张亚玲副研究员为论文的第一作者，浙江大学生命科学学院黄建国教授为论文的通讯作者。该项目受到国家自然科学基金等项目资助。论文链接：https://authors.elsevier.com/c/1iYl~3QW8S6DM9图1. 随着温度波动(PTV)增大木质部细胞倾向于在一年中的6月5号开始增大(A)，而在夏至日开始细胞壁增厚(B)

2024-04-01

主动源地震实验背景噪声成像揭示马沟南部结构特征

近日，中国科学院南海海洋研究所徐敏研究员团队联合林间院士、丘学林研究员以及香港中文大学杨宏峰教授，利用马里亚纳俯冲带南部“挑战者深渊”附近的主动源海底地震仪（OBS）测线记录的背景噪声数据，进行了横波速度结构成像。这是创新利用短时长主动源数据记录进行被动源地震方式结构成像的成功尝试，相关成果发表于国际地学期刊《地球物理研究杂志-固体地球》（JGR-Solid Earth），助理研究员张亚运为论文第一作者，研究员徐敏为通讯作者。在传统的地震学研究中，主动源OBS数据主要用于探测海洋岩石圈的纵波结构信息，而背景噪声信号通常未被充分利用。背景噪声成像通常需要长时长的陆地地震台阵数据，通过叠加多道互相关波形来获取高质量的经验格林函数，进而反演横波速度。然而，主动源OBS数据的记录时长通常只有1-3周，这使得从短时长的噪声波形中提取可靠的面波信号变得极具挑战性。徐敏研究员团队通过创新的方法，使用短时长互相关技术获取了足够数量的互相关波形，并采用选择叠加筛选高信噪比互相关波形的方法，有效剔除了局部未知震源的影响，满足了弥散波场的要求（图1）。此外，他们还通过时频域相位加权叠加技术提高了最终格林函数的质量（图2）。应用这一数据处理流程于马里亚纳俯冲带南部的主动源OBS测线，研究团队获得了高质量的格林函数，并成功提取了面波频散数据。通过反演的速度模型，他们揭示了该区域的结构特征，特别是俯冲板片上地幔顶部的低速区域。含水量的估算结果表明，该区域的蛇纹石化程度显著高于马里亚纳俯冲带的中部和北部，这一发现与动力学模拟和地震重定位等方法得到的结果相一致。这项研究不仅为已有的大量主动源OBS数据提供了重复利用的可能，而且证明了即使在台间距超过400公里的情况下，该方法仍然有效。此外，该方法同样适用于被动源OBS数据，能够获得高信噪比的互相关波形，为更精细的成像工作，如波形拟合等，提供了坚实的数据基础。文章链接：https://doi.org/10.1029/2023JB027043图1. 台站对L25-L27在2-5 s频带内的选择叠加结果。（a）所有互相关的线性叠加；（b）选择高相关性互相关后的线性叠加。图2. 不同叠加方法对数据质量的提升。LS：线性叠加，Selected LS：选择线性叠加，Selected tf-PWS：选择和时频域相位加权叠加。

2024-03-29

人工湿地细菌和微型真核生物群落对废水时空波动的响应取得进展

进入湿地系统的废水中污染物的组成和浓度在时间和空间上存在波动。因此，湿地沉积物中的微生物群落经常受到废水的干扰。然而，微生物群落有必要保持相对稳定的组成或生物量才能持续对废水中的污染物进行去除。但是微生物群落在废水波动条件下如何保持稳定的机制目前尚不清楚。探明人工湿地系统中微生物群落对废水时空波动的响应机制，对进一步了解湿地中微生物群落组成及其在净化废水的变化过程具有十分重要的意义。进入湿地系统的废水中污染物的组成和浓度在时间和空间上存在波动。因此，湿地沉积物中的微生物群落经常受到废水的干扰。然而，微生物群落有必要保持相对稳定的组成或生物量才能持续对废水中的污染物进行去除。但是微生物群落在废水波动条件下如何保持稳定的机制目前尚不清楚。探明人工湿地系统中微生物群落对废水时空波动的响应机制，对进一步了解湿地中微生物群落组成及其在净化废水的变化过程具有十分重要的意义。中国科学院亚热带农业生态研究所流域农业环境研究中心吴金水研究员团队和福州大学刘乐冕研究员合作，对长沙站多级表面流人工湿地系统处理农村污水进行了长达13个月的连续观测，并逐月采集分析湿地沉积物以评估细菌和微型真核生物群落结构变化。结果表明，虽然进水浓度随季节有较大波动，但是湿地系统出水总氮浓度能达到较好的处理效果，水质指标远优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB1989-2002)中一级A标准，进一步研究发现，进水水质的波动导致沉积物细菌和微型真核生物群落组成会发生显著的季节性变化，并且单个微生物分类群的抗性较低 (特别是放线菌和γ变形菌)。然而，16S rRNA、硝化和反硝化基因丰度却能在不同季节保持相对稳定。分析认为其机理在于微生物类群间的高度异步性导致了群落组成发生变化，但却维持了群落功能的稳定性。此外，随着废水中氮浓度的降低，湿地系统的微生物群落组成也在由异养向自养转变。同时，本研究还发现微型真核生物群落比细菌群落对废水波动的响应更为敏感。本研究对于深入理解南方地区人工湿地系统微生物群落的功能稳定维持机制具有重要理论价值，对于湿地系统功能提升技术的研发可能具有潜在指导意义。该项研究近期以题为Response of bacterial and micro-eukaryotic communities to spatio-temporal fluctuations of wastewater in full scale constructed wetlands发表在环境科学与生态学领域一区Top期刊Bioresource Technology（IF=11.4）上。本研究得到了“十四五”国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的共同资助。论文链接人工湿地沉积物中细菌和微型真核生物群落组成的变化细菌与微型真核生物共生网络湿地微生物群落组成对废水波动的响应机制

2024-03-28

《东莞市大岭山森林公园植物图鉴》等系列丛书出版发行

近日，由中国科学院华南植物园、广东省科学院动物研究所、华南农业大学和东莞市大岭山森林公园等单位合作编写的《东莞市大岭山森林公园植物图鉴》《东莞市大岭山森林公园陆生野生脊椎动物图鉴》《东莞市大岭山森林公园昆虫图鉴》由中国林业出版社出版发行。作为2024年“绿美东莞、品质林业”系列丛书，三部图书的出版获得了“东莞市大岭山森林公园综合科考项目”的资助。东莞市大岭山森林公园位于广东省东莞市西南部，珠江口的东北部，地理坐标为东经113°42′22″-113°48′12″，北纬22°50′00″-22°53′32″，管辖总面积约74平方公里，东至东莞市大岭山镇与深圳宝安区交界处，南至莲花山山腰，西至白石山山脚，北至厚大路。其下辖广东大岭山省级森林公园、东莞大岭山市级森林公园、东莞市国营大岭山林场、东莞马山市级自然保护区、东莞灯心塘市级自然保护区、东莞莲花山市级自然保护区。森林覆盖率93.2%，水资源丰富，动植物种类繁多，是一个集游览、科考、休闲和康体健身于一体的综合性森林公园。受东莞市大岭山森林公园的委托，中国科学院华南植物园、广东省科学院动物研究所、华南农业大学、广东省科学院微生物研究所组成综合科考队，对公园进行了为期2年的综合科学考察。本次综合科考对整个公园范围内的植物、脊椎动物、昆虫、大型真菌等资源开展了系统的野外调查，全面采集标本和拍摄照片，完善现有的物种资源数据，对各类群物种进行系统分类和编目，形成完整的物种名录，掌握公园自然生态系统情况，为生物资源的保护和利用提供信息。《东莞市大岭山森林公园植物图鉴》共记录维管植物165科559属843种（含种下分类单元），其中蕨类植物23科35属49种，裸子植物9科16属20种，被子植物133科508属774种（含种下分类单元）；发现了金毛狗、桫椤、苏铁蕨、香港带唇兰、钳唇兰、宽叶线柱兰、土沉香、白桂木等珍稀濒危植物种类。《东莞市大岭山森林公园陆生野生脊椎动物图鉴》共记录兽类23种、鸟类77种、爬行类18种、两栖类10种，共计128种；增加公园新记录44种，其中兽类14种、鸟类22种、爬行类5种、两栖类3种，其中国家二级保护野生动物13种，分别为豹猫、褐翅鸦鹃、小鸦鹃、蛇雕、凤头蜂鹰、领鸺鹠、白胸翡翠、画眉、黑喉噪鹛、仙八色鸫、三索锦蛇等。《东莞市大岭山森林公园昆虫图鉴》共记录昆虫12目61科159种；调查中还发现了中国大陆新纪录种——二十星菌瓢虫。《东莞市大岭山森林公园植物图鉴》《东莞市大岭山森林公园陆生野生脊椎动物图鉴》《东莞市大岭山森林公园昆虫图鉴》等书内容丰富，通俗易懂。图书的出版对开展珠三角地区森林公园动植物多样性研究和保护具有重要意义，可作为科研工作者、生物多样性保护工作者、自然观察爱好者的参考书籍，也可为粤港澳大湾区动植物资源开发利用、绿美广东生态建设提供参考。三部图书封面

2024-03-25

国家重点研发计划“基于谱系决定机制研究功能性免疫细胞再生新策略”项目课题绩效评价会召开

2024年3月22日，由中国科学院广州生物医药与健康研究院陈捷凯研究员牵头主持的国家重点研发计划干细胞及转化研究重点专项——基于谱系决定机制研究功能性免疫细胞再生新策略项目课题绩效评价会在广州顺利召开。2024年3月22日，由中国科学院广州生物医药与健康研究院（下简称“广州健康院”）陈捷凯研究员牵头主持的国家重点研发计划“干细胞及转化研究”重点专项——“基于谱系决定机制研究功能性免疫细胞再生新策略”项目课题绩效评价会在广州顺利召开。同济大学高绍荣院士、中国科学院动物研究所刘光慧研究员、中国药科大学金亮教授、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心惠利健研究员、中国医学科学院基础医学研究所余佳教授、中国科学院动物研究所王金勇研究员、南方医科大学赵小阳教授、科技部中国生物技术发展中心和中国科学院相关部门负责人、项目及各课题负责人、课题骨干和相关科研及财务人员等40余人参加了此次评价会。项目负责人陈捷凯介绍了与会嘉宾和项目组成员，广州健康院党委书记张鸿翔代表项目承担单位致欢迎辞，对出席项目绩效评价会的领导及专家表示热烈欢迎和衷心感谢。中国生物技术发展中心医药生物技术处副处长何蕊介绍了重点研发项目课题结题的要求和考核的关键点。中国科学院前沿局生命科学处孙玉娜处长介绍了中国科学院关于抢占科技制高点的有关精神，希望项目能够在凝练总结成果的同时，在“再生功能性免疫细胞”这一重大需求和国际前沿领域继续深耕探索，积极争取承担更多国家重大科技任务，为免疫治疗科技领域作出更大贡献。高绍荣院士主持了课题绩效评价环节。项目负责人陈捷凯介绍了“基于谱系决定机制研究功能性免疫细胞再生新策略”项目的具体内容，课题负责人张硌、陈捷凯、杜鹃和王敏分别就课题目标、考核指标完成情况、对项目总体目标的贡献、取得的重要研究成果及应用前景、组织管理、人才培养、数据共享和经费执行等情况向专家组进行了汇报。专家组听取课题汇报后，审阅了相关文档材料，对各课题的执行情况和汇报内容进行了充分的讨论和质询，最终形成了评审意见。专家组一致认为，该项目四个课题均高质量完成了预期目标，同意通过课题绩效考核评价。

2024-03-25

华南植物园在夹竹桃科花粉器研究获新进展

花粉在花药中产生，在植物个体发育中出现最晚，生活期短，受环境的影响小，其形态结构变异丰富含有大量的演化信息，是解析被子植物多样性成因的关键密码。大多数被子植物产生单花粉，少数类群产生复合花粉，即花粉成熟时两个或以上花粉粒联合在一起的散粉单元。根据所结合花粉粒的多少，可以分为四合花粉、多合花粉和花粉块。花粉单元的系统演化路径为单花粉→四合花粉→多合花粉→花粉块。花粉块是进化程度最高的复合花粉，与传粉附属结构连接组成一种独特的传粉装置——花粉器。花粉器是繁殖器官的创新性状，在兰科和夹竹桃科植物中均有报道。已知研究表明，花粉器是传统上将萝藦科从夹竹桃科分出来的主要特征，也是将萝藦科并入夹竹桃科建立现代夹竹桃科分类系统的有力证据。夹竹桃科花粉器在传粉过程中与合蕊柱结构相适应，促进了生殖功能转变，加速了物种形成及多样化进程。达尔文曾指出夹竹桃科花粉器结构是“优美的适应”（beautiful adaptation）。中国科学院华南植物园植物研究中心匡延凤博士等人基于夹竹桃科多个类群的花粉器形态、发育和演化研究，揭示了球兰属花粉器的形态多样性及其性状演化历程。球兰属花粉器最典型的类型为，花粉块斜长形或长椭圆形，具透明边缘，花粉块柄具翅，着粉腺小（图1）。祖先状态重建分析表明，透明边缘和花粉块柄翅是球兰属花粉器的祖先性状。该研究结果已经发表在经典的国际植物学期刊Botanical Journal of the Linnean Society（《林奈学会植物学》）（Kuang et al. 2024）上。DOI: 10.1093/botlinnean/boae011 “透明边缘”是划分夹竹桃科花粉块类型的重要特征，又称萌发区域，是一个特化的传粉适应性结构。传粉时，透明边缘与导轨精准适应形成独特的“锁钥模型”，缺失透明边缘的花粉块则整体嵌入合蕊冠。球兰属花粉块发育过程的对比研究显示，“透明边缘”由靠近药隔处的小孢子逐渐凋亡而成（图2），不具“透明边缘”的花粉块发育过程中小孢子不发生凋亡。此外，花粉块中的花粉缺失外壁和固定萌发孔，四分体时期缺失胼胝质，花粉块的发育与早期阶段缺失胼胝质及晚期孢粉素的沉积模式发生改变相关。该研究结果已经发表在国际植物学期刊Plant Reproduction（《植物繁殖》）（Kuang et al. 2023）上。DOI: 10.1007/s00497-023-00460-z 相关研究得到中国科学院植物资源保护与可持续利用重点实验室重点基金以及广东省自然科学基金-面上项目的资助。图1. 球兰属花粉器形态及演化图2. 球兰花粉块发育及萌发

2024-03-22

华南植物园发表菊科一新属——亲二菊属

菊科菊苣族约95属2500种，广布于北半球。中国约有35属388种。此类植物多种具有重要的食用、药用和观赏价值，如莴苣、菊苣和蒲公英等。菊苣族植物分布广泛，生境和形态变异式样繁多，一些属间界限有争议，对该类植物进行描述和分类具有一定挑战。还阳参亚族（subtribe Crepidinae）是菊苣族最大的亚族，约有360种，主要分布于欧亚大陆，2011年的中国植物志英文版（Flora of China）收录了17个属约230种，中国是还阳参亚族的多样性中心。由于还阳参亚族植物形态特征的复杂、分子数据的缺乏及传统（Sanger）测序手段获取的基因数据无法提供足够的系统发育信号，该类群的系统发育关系一直未能得到很好的解决。Cassini、Hoffmann和Stebbins等学者基于形态学、细胞学、分子生物学等证据对该亚族作出了完全不同的界定及亚族下划分，所以还阳参亚族的系统分类学研究有待更具代表性的取样、更有效的数据获取技术及分析方法。中国科学院华南植物园植物中心陈又生研究员及其团队，通过标本查阅和野外考察，广泛收集还阳参亚族重要类群及姐妹类群的研究材料，采用杂交捕获获取核基因组和叶绿体基因组数据，并进行系统发育分析，结合形态学等证据，提出了新的包括29个属的还阳参亚族分类框架。在这一系统中，粉苞菊亚族并入还阳参亚族；另外墨江菊属在发表之时尚不能确定系统位置，本研究确认了墨江菊属位于还阳参亚族的基部，形成一个比较独立的分支。此外，研究过程中发现了一种仅在中国四川省宝兴县分布的未知植物，其具有鲜明的还阳参亚族植物特征，具有黄色舌状花。该植物具有体积较大的总苞，数量较多的总苞片和舌状花，总苞片边缘波浪形并呈覆瓦状松散排列，这一特征组合不属于还阳参亚族任何一属。随后，进一步形态比较和分子系统发育分析确定该种植物是未被描述的新种，并构成一个单种属，与假还阳参属和黄鹌菜属等类群亲缘关系较近。因此，综合形态学、孢粉学和分子系统学证据，科研人员描述了一个新种——亲二菊（Qineryangia baoxingensis Y. S. Chen & L. S. Xu ），并建立了一个新属——亲二菊属（Qineryangia Y. S. Chen & L. S. Xu ）。属名以致敬中国植物分类学家杨亲二研究员，纪念他对中国植物分类研究的贡献。该研究首次利用杂交捕获获取还阳参亚族等类群的基因组数据，并得到了高分辨率的还阳参亚族分子系统，为还阳参亚族、菊苣族和菊科的系统发育研究提供了重要数据和资料。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Journal of Systematics and Evolution（《植物分类学报》）上。华南植物园徐连升助理研究员为论文第一作者，陈又生研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、广东省重点领域研发计划项目和广州市科技项目的支持。文章链接：https://www.jse.ac.cn/EN/10.1111/jse.13066图1. 亲二菊的形态特征图2. 基于核基因组和叶绿体基因组数据构建的还阳参亚族系统发育树，示亲二菊属（亲二菊）的系统位置

2024-03-22

广州能源所在生物法蓝藻水华防控方面取得进展

随着水体富营养化的加剧，蓝藻水华频发，对生态环境造成严重破坏，同时威胁人类健康，寻找安全、经济、有效的控制及消除蓝藻的方法具有重要意义。利用溶藻菌进行蓝藻水华防控的方法相较于传统的物理、化学法，在溶藻潜力及环境友好性方面具有突出优势。随着水体富营养化的加剧，蓝藻水华频发，对生态环境造成严重破坏，同时威胁人类健康，寻找安全、经济、有效的控制及消除蓝藻的方法具有重要意义。利用溶藻菌进行蓝藻水华防控的方法相较于传统的物理、化学法，在溶藻潜力及环境友好性方面具有突出优势。广州能源所研究人员以蓝藻水华典型藻株-铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）为研究对象，以溶藻效能、溶藻稳定性和溶藻范围等为评价指标，筛选出一株高效稳定溶藻菌Brevibacillus sp.。该菌的溶藻活性组分为胞外分泌物，溶藻活性稳定，可耐受蛋白酶、酸碱和高温处理；溶藻阈值低，当菌液添加浓度大于3‰时可实现不同初始浓度M.aeruginosa的100%去除；溶藻效果持续性长，3次补加M.aeruginosa后，仍可实现78.53%的6天去除率。深入的细胞生理效应解析发现Brevibacillus sp.的溶藻机制为破坏M.aeruginosa的抗氧化系统平衡，造成膜脂过氧化进而裂解细胞，裂解后的细胞碎片聚集沉降（图1）。利用代谢组学和反加验证的方法从其胞外分泌物中鉴定出有效溶藻物质8-羟基喹啉（8-Hydroxyquinoline）和4-乙酰氨基丁酸（4-Acetamidobutyric acid），72 h-EC50值分别为92.90 µg/L和6.40 mg/L，溶藻活性突出，具有开发为天然活性除藻剂的潜力（图2）。以上相关研究发现已申请国家发明专利，研究成果相继发表于Biochemical Engineering Journal,Environmental Pollution和Journal of Hazardous Materials等期刊。论文第一作者为广州能源所生物质能生化转化研究室博士后刘芬为，合作导师为王忠铭研究员和秦磊副研究员。图1 Brevibacillus sp.的溶藻阈值及机理图2 有效溶藻物质的鉴定、溶藻效果及对M.aeruginosa光合系统的影响原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bej.2022.108525https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.121812https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133985

2024-03-22

WIPO发布2023年PCT报告，深圳先进院申请量媲美欧美日顶尖机构

近日，世界知识产权组织WIPO发布了2023年度PCT国际专利申请数据。根据数据显示，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）2023年PCT专利申请数从去年的486件上升到696件，首次跻身50强名单。相较早前WIPO发布的《PCT年度回顾2023年》中政府和专业部门类申请人名单显示，深圳先进院以696件的数量媲美美国、欧洲、日本等国家领先机构。中国依然是全球最大的PCT申请国，以69,610件PCT申请蝉联第一。从申请人来看，进入全球排名前50的中国公司及机构共有14家，而这其中一半来自粤港澳大湾区，数量占据“半壁江山”尤为亮眼。围绕“建设一流的工业研究院”的使命和愿景，深圳先进院自成立伊始，就坚持科学与产业一体设计、一体推进。截至2023年底，深圳先进院已累计申请专利1.55万件，授权6111件；PCT申请3317件，连续三年位列全球高校及科研机构第一；2023年实现专利转移转化450件，专利转化率达27.2%,远高于全国高校及科研院所12%～14%的平均转化率；累计孵化企业1853家，累计持股企业365家；吸引投资机构超百家，获44家资本投资，企业股权价值超百亿。推动科研成果快速走出实验室、转化落地，其一是从项目联合申报到专利布局，再到对接产业需求，最终形成成果转移转化；二是以专利成果的许可和转让为主，分别形成短期收益、中期股权价值和长期股权变现；三是外溢机构的网络化联动，在全国各地设立多个合作机构，每一个都对应深圳先进院所属研究所的学科领域，定向转化；四是在深圳各个区设立成果转化创新载体。同时，深圳先进院与招商局集团、华为公司、兴发集团、联影医疗、中海油、商汤科技等龙头企业累计共建超240个联合实验室，签约近1200个横向项目，合作金额超15亿元，面向国民经济主战场，打造支撑新兴产业发展的创新策源地，破解一批产业底层技术，在人工智能、新材料、新能源、新一代信息技术、高端医疗器械、合成生物产业等多个面向未来发展的新领域新赛道，深圳先进院形成了百花齐放的态势，推动知识产权转化为生产力，为推动经济高质量发展注入强劲动力。

2024-03-21

Nature Materials | 成会明团队发现近室温制备范德华块体材料的新方法

范德华块体材料，如六方氮化硼和石墨，在导热和高温结构材料等领域有重要应用。然而这类范德华块体材料通常需要在高于1000°C的高温下烧结制备、能耗巨大。3月15日晚，中国科学院深圳先进技术研究院、深圳理工大学（筹）、中国科学院金属研究所成会明院士与清华大学深圳国际研究生院副教授苏阳团队合作，首次将六方氮化硼剥离为二维氮化硼纳米片，然后对纳米片进行加压密实化组装，可以在近室温条件下（室温至60 °C）“自下而上”地制备氮化硼块体材料。该方法将制备该类材料的能耗降低了至少一个数量级。该成果以“Near-room-temperature Water-mediated Densification of Bulk van der Waals Materials from Their Nanosheets”为题发表在《自然—材料》（Nature Materials）上。该研究团队从范德华材料的结构特性出发，由于该类材料的构筑单元之间主要以范德华力结合，只要这些构筑单元之间存在纳米及亚纳米尺度接触，就可以激活范德华作用，实现无需高温烧结的范德华块体材料的制备。为了验证这一想法，团队在近室温条件下压制了石墨烯、六方氮化硼、MXene、金属硫化物等二维纳米片，成功制备出一系列高密实化、高机械强度、纳米片高度定向组装的范德华块体材料。同时，受益于温和的制备工艺，该方法可用于大规模、快速制备范德华块体材料，并可应用于范德华块体材料的修复、表面压印等传统烧结法难以实现的应用。二维纳米片制备范德华块体材料的示意图、六方氮化硼块体材料的机械强度及微观结构表征。研究进一步揭示了纳米片表面吸附水分子的诱导作用是近室温组装范德华块体材料的关键机制。在组装过程初期，水作为润滑剂，可降低纳米片滑移和定向排列过程中的摩擦力，促进密实化堆垛和高定向排列；这一过程同时将水分子限制于二维纳米片形成的限域空间内，导致水分子脱附并快速逃逸出材料，其产生的毛细作用力拉近纳米片间的距离，诱导范德华作用的形成。该工作提出了采用二维纳米材料为构筑单元组装传统块体材料的研究思想，为范德华块体材料的高效、低能耗、高质量制备及多组分设计提供了全新方案，这也是纳米材料尤其是二维材料赋能传统材料加工的有力实验及科学证据。成会明院士、苏阳副教授为论文通讯作者，清华大学深圳国际研究生院博士后朱九一博士（现为中国科学院过程工程研究所副研究员）、清华大学深圳国际研究生院2020级博士生李飞和中国科学技术大学近代力学系博士研究生侯远震为共同第一作者。清华大学深圳国际研究生院为该研究第一单位。论文的其他重要合作者包括中国科学技术大学吴恒安教授、王奉超教授、中国科学院金属研究所杜金红研究员等。该研究得到了科技部、国家基金委、深圳市科创委等的支持。

2024-03-21