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南海海洋所“海境·渦流大模型1.0”正式發布

9月20日-21日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境與島礁生態全國重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）主任杜巖研究員受邀參加在青島召開的“2025物理海洋前沿論壇”。會上，杜巖作“海境·渦流大模型：海洋非平衡態動力學與AI海流重構”報告，詳細介紹了“海境·渦流大模型”的研發背景、技術構架以及下一步工作方向。借此，“海境·渦流大模型1.0”正式發布。海洋非平衡態動力學是海洋科學的前沿，是在目前地轉平衡理論基礎上發展起來的一門學科。海洋表層典型的海洋非平衡態過程包括：Ekman流、近慣性流、潮流以及波和風所致不穩定驅動的流（亞中尺度過程）等，約占80%的海洋表層瞬時運動形式，顯著影響氣候變化和碳收支。現有海洋觀測僅能刻畫百公里尺度以平衡態為主的過程，依據地轉平衡理論和衛星動力高度獲得的海表流場無法準確刻畫非平衡態過程。實驗室海洋動力熱力過程研究團隊最新提出了利用海表動力高度和海表溫度診斷海表全流的方法，該方法具備了獲得海表非平衡態海流的能力。海洋非平衡態過程可顯著影響上層300-400米的海流，這部分海流的獲取方法是目前研究中的難點。針對這一難點，“海境·渦流大模型”應運而生。它是一款端到端的海洋三維流場智能重構大模型，創新性地利用海表高分辨率衛星遙感數據，通過智能映射技術，實現對海洋三維全流場的快速現報。“海境·渦流大模型”包含兩套流場重構方案：①利用海表衛星數據結合SwinUnet模型直接重構次表層三維全流場；②利用海表衛星和三維溫鹽數據結合創新開發的SpadeUp模型重構次表層三維全流場。方案一能夠有效重構上層350米的海表全流，方案二在有三維溫鹽輸入的情況下能夠進一步提高混合層之下（到550米）全流場的重構精度。研究團隊表示，未來將繼續深化海洋動力學與人工智能方法的融合，拓展模型重構深度至上層2000米，并擴展至全球范圍，同時增強現報模塊功能，為海洋環境保障應用和海洋動力學研究提供數據支撐。

2025-09-22

南海海洋所?|?研究團隊在利用漂流浮標觀測推斷海洋亞中尺度能譜研究方面取得新進展

近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境與島礁生態全國重點實驗室海洋環境模擬與應用技術研究團隊在亞中尺度能譜研究方上取得新進展，相關研究成果以“Inferring submesoscale energy spectra in the Gulf of Mexico from surface drifters”為題，發表在物理海洋國際著名期刊Journal of Physical Oceanography上。該研究成果第一作者為南海海洋所副研究員錢鈺坤，南海海洋所研究員彭世球與挪威奧斯陸大學地球科學系教授Joseph LaCasce為論文共同通訊作者。海洋動能波數譜是表征海洋湍流和開發模型參數化方案的核心科學問題。衛星高度計和船載聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）的觀測分辨率有限（通常僅達10公里），難以有效捕捉過渡尺度（~幾公里）及以下的亞中尺度動力過程。當前基于GPS追蹤的海表漂流浮標能提供空間分辨率高達10米、時間分辨率達5分鐘的海表流速數據，為研究亞中尺度能量譜提供了新的途徑。通過分析漂流器對的相對擴散，可以間接推斷動能能譜的斜率，但此前基于時間統計診斷量和基于距離統計診斷量的方法常存在不一致性，導致診斷結果具有較大不確定性。該研究利用2012年夏季GLAD和2016年冬季LASER外場試驗中在墨西哥灣北部釋放的超過一千個GPS海表漂流浮標軌跡數據，綜合運用了相對擴散、峰度、相對擴散率等多種時間統計量，以及二階速度結構函數、有限尺度李雅普諾夫指數（FSLE）、其改進版有限振幅增長率（FAGR）和最新提出的累積逆分離時間（CIST）等分離統計量，系統分析了漂流浮標對的相對擴散行為。研究發現，從約100米至數公里尺度，動能能譜呈現K-2的依賴關系。能譜結構存在明顯的季節性差異：在冬季，K-2譜段可延伸至變形半徑（~50公里）；而在夏季，在5-50公里尺度范圍內存在更陡的K-3譜段（與大氣上對流層能譜類似），其下（100米至5公里）仍為K-2譜。在100米以下尺度，分離統計量支持更淺的K-5/3（Richardson）能譜。研究還發現，在最初幾天或最小尺度（<1公里）上，“偶遇對”（chance pair）的擴散顯著快于“原始對”（original pair），這與初始距離與相對速度的記憶相關性有關，表明亞中尺度擴散研究需使用無偏的粒子對或三聯體投放策略進行更優化的觀測。此外，研究證明CIST和FAGR在分析亞中尺度擴散方面比傳統的FSLE更具優勢。圖1?基于漂流浮標觀測數據推斷的海洋動能譜特征。該研究成功利用海表漂流浮標揭示了此前難以直接觀測的亞中尺度能譜特征，為理解海洋亞中尺度動力過程、能量串級及其季節性變化提供了重要的觀測依據，對改進高分辨率海洋模式參數化方案具有重要意義。該研究由國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目和廣東省自然科學基金項目聯合資助。論文信息：Qian,Y.-K.,J. H. LaCasce,and S. Peng,2025: Inferring submesoscale energy spectra in the Gulf of Mexico from surface drifters. Journal of Physical Oceanography,55,1475–1491. https://doi.org/10.1175/JPO-D-24-0220.1論文鏈接：https://journals.ametsoc.org/view/journals/phoc/55/9/JPO-D-24-0258.1.xml

2025-09-23

華南植物園揭示綠地暴露在城市密度與心理健康關系中的中介效應與調節效應

心理健康已成為全球性重大挑戰，占全球威脅生命疾病總數的32%，并且世界衛生組織研究表明COVID-19大流行導致全球焦慮癥和抑郁癥患病率上升25%。尤其是城市地區的居民心理健康面臨更大風險，通常與城市復雜環境多因素密切關聯，例如環境污染、孤獨感、壓力以及城市綠色空間的匱乏等。心理健康通常會受到個體特征、社會關系和社會經濟地位等多維因素的影響，因此建成區環境對居民心理健康的影響日益受到關注。城市密度作為建成區環境的核心要素，目前其對心理健康的影響仍存在爭議，主要由兩方面可能原因導致，一是以往研究往往忽略了兩者關聯的具體路徑與交互作用，二是影響機制會因當地背景不同而存在差異。城市的密集開發可能后果是導致綠色空間減少，對心理健康造成不利影響，但相反，高密度城市又會伴隨帶來高效的交通系統和適宜步行的有利環境。然而，總體來講，城市密度、城市綠色空間暴露以及心理健康三者之間的復雜關系仍未形成一個統一的關聯框架。理解其關系有助于增強我們對于高密度城市開發如何影響心理健康的認知，并為城市綠地規劃提供更科學的決策依據。鑒于此，本研究以高密度發展為特征的典型快速城市化地區為例，基于對824位受訪者的問卷調查，通過系統剖析城市綠色空間暴露的雙重作用，拓展和填補了現有研究的關鍵缺陷：城市綠色空間訪問頻次在“城市密度─心理健康”關聯中起中介變量作用，而城市綠色空間可用性則起調節變量作用。研究結果表明：（1）城市密度的影響具有情境依賴性：其對三項心理健康指標（抑郁程度、生活滿意度、價值感）的影響取決于城市綠色空間的可用性水平；（2）訪問社區花園、市政公園和濱水公共綠地能顯著降低抑郁風險、提升生活滿意度和增強價值感。社區花園與市政公園的互動訪問與三項心理健康指標的改善均呈正相關，而城市公共綠色空間訪問頻次對于心理健康的積極影響超過了城市綠色空間可用性及城市密度的作用；（3）最重要的，我們揭示了一個內在關鍵雙重機制：訪問城市綠色空間可以充分緩解高密度建設對于心理健康產生的負面影響，而城市綠色空間的可用性則對這種關系起到調節作用，可以減輕高城市密度帶來的負面影響。上述發現對于城市綠色空間規劃的優化提供了新穎實證依據：提升綠地可用性及其訪問頻次可降低高城市密度對心理健康的負面影響，并且應該優先發展社區花園與市政公園，因其對三項心理健康指標均產生顯著的積極作用。研究成果以“Greenspace exposure and its dual role as mediator and moderator in the relationship between urban density and mental health”為題，近期發表在國際景觀生態學及城市規劃領域頂級期刊Landscape and Urban Planning（《景觀與城市規劃》）（IF=9.2）上。中國科學院華南植物園副研究員劉紅曉為該文第一作者，中國人民大學生態環境學院孫曉副教授和中國科學院華南植物園任海研究員為共同通訊作者。文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.landurbplan.2025.105497

2025-09-23

亞熱帶所?|?喀斯特白云巖坡地土壤厚度估算研究取得新進展

近日，中國科學院亞熱帶農業生態研究所王克林研究員團隊聯合成都山地災害與環境研究所等單位，在廣西環江喀斯特生態系統觀測研究站開展的利用地面伽馬輻射劑量率估算喀斯特白云巖坡地土壤厚度研究取得進展，相關成果發表在土壤與地貌學國際期刊Catena。近日，中國科學院亞熱帶農業生態研究所王克林研究員團隊聯合成都山地災害與環境研究所等單位，在廣西環江喀斯特生態系統觀測研究站開展的“利用地面伽馬輻射劑量率估算喀斯特白云巖坡地土壤厚度”研究取得進展，相關成果發表在土壤與地貌學國際期刊Catena。喀斯特地區土壤淺薄且空間分布高度不均，是限制植被恢復與生態工程選址的關鍵因素。傳統的探針法與電阻率法受巖性干擾較大，難以準確估算“生態有效土層厚度”。該研究基于喀斯特區“巖體放射性低、土壤放射性高”的特征，首次建立了“土壤厚度-伽馬輻射劑量率”冪函數關系模型（R2=0.99）（圖1），提出一種簡便、非破壞性的新方法用于快速估算淺層土壤厚度。研究通過在白云巖裸露坡面上構建標準土壤填充試驗箱，分層測量不同厚度下的γ劑量率，驗證了伽馬值對0–35 cm范圍內土壤厚度的高敏感性。在實際坡面測試中，草地樣地平均估算厚度僅0.47 cm，灌叢樣地為11.22 cm，結果與前期大型剖面調查高度吻合，且較鋼釬法更接近“生態有效厚度”（圖2）。研究指出，該方法特別適用于評估石漠化區植被恢復潛力和劃定適宜造林區域。該成果為喀斯特地區土壤資源普查、生態恢復模式優化和石漠化治理分區提供了技術支撐，未來可與遙感影像、地電成像等手段融合，開展更大尺度的土壤空間分布制圖。圖1. 伽馬輻射劑量率與土壤厚度的關系圖2. 伽馬射線土壤厚度估算法與鋼釬法的對比論文鏈接

2025-09-23

南海海洋所?|?火山型被動陸緣地殼裂解機制獲揭示

近日，中國科學院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質實驗室（OMG）趙明輝研究員團隊與徐敏研究員團隊聯合浙江大學及法國西布列塔尼大學，在火山型被動陸緣地殼結構形成機制方面取得突破性進展。相關成果在線發表在國際地學頂級期刊《地球和行星科學快報》（Earth and Planetary Science Letters）上。論文第一作者為浙江大學研究員楊海斌，通訊作者為南海海洋所副研究員關慧心，合作者包括西布列塔尼大學教授Laurent Geoffroy、浙江大學教授陳漢林、南海海洋所研究員趙明輝和研究員徐敏。被動陸緣是大陸裂解過程中形成的重要地質單元，其中火山型被動陸緣以巨量巖漿活動和標志性的向海傾斜反射層（Seaward-Dipping Reflectors,SDRs）著稱。然而，SDRs究竟受“構造伸展”還是“火山載荷”主導，學界已爭論十余年。本研究創新性引入高分辨率二維熱-力學數值模擬，系統評估裂谷盆地內不同密度充填物對斷層樣式及地殼結構的控制作用。模擬結果顯示：當裂谷內充填高密度玄武質巖漿（密度較上地殼高100–200 kg/m3）時，地表載荷差異誘發向陸傾斜的斷層系，最終塑造典型的SDRs；若充填低密度沉積物，則易形成對稱共軛斷層系，常見于非火山型被動陸緣結構。這一發現首次將“地表載荷物理性質”與“構造伸展”并列為大陸裂解形態的雙重主控因素，突破了傳統單因素端元模型的局限，為長期學術爭端提供了統一解釋框架。該研究不僅深化了對火山型被動陸緣形成機制的認識，也為南海、大西洋等典型張裂陸緣的深部結構解析提供了關鍵理論依據，對油氣遠景評價、巖漿活動誘發地質災害評估等具有重要應用價值。研究得到國家自然科學基金項目資助。論文信息：Yang,H.,Guan,H.*,Geoffroy,L.,Chen,H.,Zhao,M.,Xu,M. (2025). Syn-rift margin architecture influenced by surficial loads.?Earth and Planetary Science Letters,671: 119637,doi: 10.1016/j.epsl.2025.119637.文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25004352?dgcid圖1?SDRs的兩種形成模型：a）構造模型；b）載荷模型（修改自 Geoffroy,2005 和 Buck,2017）。圖2?模擬結果表明：a）當表層堆積物密度較低（2500 kg/m3）時，易形成對稱式共軛斷層；b）而當堆積巖漿密度較高（2900 kg/m3）時，則會在其底部發育向陸傾斜的斷層，進而形成向海傾斜的反射層（SDRs）。

2025-09-22

南海海洋所?|?研究揭示熱帶大型河流有機碳埋藏關鍵機制

近日，中國科學院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質實驗室劉建國研究員團隊在熱帶大型河流系統有機碳（OC）儲存與穩定性調控機制研究方面取得重要進展。該研究系統揭示了風化過程及礦物組成（尤其是鐵氧化物和鋁質黏土）對有機碳動態的關鍵控制作用，相關發表于國際知名地學期刊《CATENA》。該研究成果共同第一作者為國際博士后Md Hafijur Rahaman Khan（中文名：蘇曼）與中國海洋大學博士譚龍，南海海洋所研究員劉建國、副研究員黃云為共同通訊作者。其他作者包括南海海洋所博士Ananna Rahman、自然資源部第一海洋研究所研究員劉升發、南海海洋所研究員陳忠。河流與海洋沉積物中的有機碳埋藏是全球碳循環的核心環節之一，對調節地球氣候平衡具有深遠影響。盡管熱帶河流流域面積僅占全球陸地有限部分，但其輸送的沉積物和有機質總量卻占全球重要比例，其中有機碳的埋藏效率與穩定性一直是學界關注的焦點。然而在高溫高濕、化學風化強烈的熱帶地區，有機碳在搬運與沉積過程中保存與分解的具體礦物學機制尚不明確。研究團隊以恒河–布拉馬普特拉河（G–B）這一全球規模最大、輸沙量最豐富的熱帶河流系統為研究對象，通過對流域沉積物開展系統的地球化學與礦物學分析，研究發現：化學風化促進了鋁質黏土（如高嶺石）的形成，這些礦物通過吸附和微環境保護機制，有效穩定有機碳；鐵氧化物能夠與有機碳形成強烈的有機–礦物結合及表面涂層，減少微生物降解，從而提高有機質的長期保存率；相比之下，在潮濕的熱帶環境中，部分高反應性礦物相可能會加速有機碳在搬運和沉積過程中的分解與流失。研究表明，風化產物與有機質之間的相互作用是決定熱帶河流系統中有機碳埋藏效率的關鍵因素。該成果不僅深化了人們對源–匯過程和有機碳–礦物相互作用機制的理解，還為預測熱帶河流在未來氣候變化中的響應及其對全球碳循環的反饋提供了重要科學依據。研究工作得到了國家自然科學基金和中國科學院-TWAS院長獎學金計劃共同資助。圖1 恒河–布拉馬普特拉（G–B）流域示意圖，顯示土地利用/土地覆蓋（LULC）特征及現代沉積物采樣點分布。圖2 展示恒河–布拉馬普特拉各支流中有機質指標的輸運與演變特征，并通過圖示總結了有機碳來源、輸運機制以及礦物結合有機碳在儲存和穩定過程中的作用。文章信息：Khan MHR1,Tan L1,Liu J.*,Rahman A,Huang Y*,Liu S,Chen Z,2025. The impact of weathering,iron oxides,and aluminous clays on organic carbon storage and stability in an extensive tropical river system. CATENA 258,109250.文章鏈接： https://doi.org/10.1016/j.catena.2025.109250

2025-09-12

深圳先進院?|?可變直徑適應的亞厘米級純軟體膠囊機器人（IEEE/ASME）

近日，中國科學院深圳先進技術研究院微創中心高興副研究員團隊與運城學院杜陽陽博士在亞厘米級管道/腔道機器人取得重要進展。團隊基于介電彈性體（DEA）開發的電活性球囊外廓僅8mm，結合鞭毛驅動原理創新設計了一款可自適應管道內徑變化的變直徑純軟體膠囊機器人。初代樣機驗證了其整體柔順性可適應S形、小曲率大轉角管路特征，同時實現了1.33倍變直徑入路（12~16mm），滿足Murray's law預測的樹狀管路分岔口的1.26倍直徑變化，在管路內典型的環形臺階障礙也可輕松通過。相關成果以A Single Chamber Minibot With Elastic Hinges for Adapting Various Diameter Pipelines為題，發表在IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS。論文第一作者為運城學院杜陽陽博士，通訊作者為中國科學院深圳先進技術研究院高興副研究員。傳統電機驅動的管道內爬行機器人解決了大直徑管道內巡檢需求，但無法滿足小直徑管道（≤20mm）。以氣動或智能材料驅動器為驅動單元是實現管道內爬行機器人微小型化的關鍵，但面臨高效率（爬行速度）、長距離與大變徑比（最大適應管徑與最小適應管徑之比）無法兼得的問題。例如，氣動機器人可以實現大變徑比，但由于氣體/管壁摩擦阻尼，遠距離響應遲滯嚴重。DEA驅動的爬行機器人雖然可以實現1BL/s以上的爬行速度，但變徑比僅有1.1，限制了障礙通過能力。團隊提出了一種DEA與氣動單元結合的高爬行速度、大變徑比且能長距離爬行的亞厘米級管道/腔道機器人。它主體由中心內嵌的卷制型DEA、可變形充氣外膽以及24個彈性鉸鏈鬢毛組成（圖2）。主要亮點如下：1)?主動調節外廓：利用氣壓控制外膽凸起變形，實現柔性鉸鏈鬢毛傾角的主動變形，實現大變徑比1.33（圖3）。2）低管徑敏感性：柔性鉸鏈鬢毛旋轉變形替代傳統鬢毛的彎曲變形，降低了鬢毛與管壁之間的法向約束力及相應的正向運動摩擦力。3）高過障礙能力：利用軸向分布多組鬢毛保持良好的摩擦力各向異性，使機器人可以通過0.6mm的環形臺階。4）高頻共振驅動：利用卷制型DEA的高頻軸向共振變形（~430Hz），爬行速度最快可達3BL/s，同時規避了氣動驅動的遲滯效應（圖6）。5）高適用性：在沒有優化鬢毛材質的情況下，機器人有效行程可達4m以上，且能通過金屬管道以及復雜彎曲管道（圖7）。論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TMECH.2025.3587461.圖1?機器人初代樣機圖2?機器人結構圖3?主動調節鬢毛角度原理圖4?柔性鉸鏈鬢毛與傳統彎曲鬢毛的對比圖5?機器人通過環形臺階圖6?機器人在DEA共振驅動下的爬行速度圖7?機器人在彎曲及變內徑管道中的爬行

2025-09-02

?深圳先進院∣鈣鈦礦基多結太陽能電池（Nature Reviews Clean Technology）

近日，中國科學院深圳先進技術研究院碳中和技術研究所王在偉研究員與新加坡國立大學侯毅教授合作在國際權威期刊Nature Reviews Clean Technology發表了題為 “Perovskite-based multi-junction solar cells”的綜述性論文[]，系統總結了鈣鈦礦基多結太陽能電池的最新研究進展與未來發展方向。這一成果為推動新一代高效、低成本光伏技術提供了重要的理論依據和發展藍圖。近日，中國科學院深圳先進技術研究院碳中和技術研究所王在偉研究員與新加坡國立大學侯毅教授合作在國際權威期刊Nature Reviews Clean Technology發表了題為 “Perovskite-based multi-junction solar cells”的綜述性論文[]，系統總結了鈣鈦礦基多結太陽能電池的最新研究進展與未來發展方向。這一成果為推動新一代高效、低成本光伏技術提供了重要的理論依據和發展藍圖。研究背景光伏發電作為實現碳中和的重要能源技術，近年來發展迅速。然而，目前商用的硅基或鈣鈦礦單結電池效率已接近單結理論極限，進一步提升空間有限。多結太陽能電池通過層疊具有互補帶隙的光吸收材料，可更高效地利用太陽光譜，被認為是突破效率瓶頸的關鍵路徑。鈣鈦礦材料因其帶隙可調、制備成本低、工藝靈活等優勢，被廣泛應用于與硅或其他半導體疊層的多結光伏器件中。但與此同時，該領域仍面臨諸多挑戰，例如超寬帶隙鈣鈦礦在光照下易發生相分離，中間層材料電流輸出不足，以及層間工藝兼容性差等問題，這些因素制約了器件的進一步發展和規模化應用。研究亮點與主要結論該綜述全面梳理了近年來鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅三結太陽能電池的研究進展，并從材料設計、器件結構和應用潛力三個層面提出了深入分析與展望。頂層電池優化：超寬帶隙鈣鈦礦是實現三結器件的關鍵，但其相分離問題嚴重。研究表明，通過離子摻雜（如Rb?、Cl?）或化學組分工程，可有效改善結晶性，抑制鹵素離子遷移，從而提升開路電壓和穩定性。中間層材料突破：理想的中間層帶隙應在1.40–1.50 eV之間。Pb–Sn混合鈣鈦礦以及純相FAPbI?等材料表現出良好的潛力，部分研究已實現接近理論值的電流匹配，推動了整體效率的提升。硅底電池升級：作為光伏產業的主力，硅電池為疊層提供了堅實的基底。最新的TOPCon、硅異質結（SHJ）等技術與鈣鈦礦疊層結合，展現出更高的轉換效率和良好的穩定性。互連層設計：合理的互連層不僅要高透明度、低電阻，還需避免對下層造成損傷。通過優化透明導電氧化物（ITO、IZO）或超薄金屬層，能夠實現更高效的電荷輸運并減少寄生吸收。模擬結果顯示，鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅三結電池的理論效率可達44.3%，比雙結電池的理論極限（39.5%）高出約5個百分點。在實際氣候條件下，該類三結器件的發電量比單結電池提升33–46%，比雙結電池高約8%，展現出巨大的應用潛力。應用前景與意義鈣鈦礦基多結太陽能電池憑借其優異的光電性能和低成本優勢，被視為最有希望與傳統硅光伏結合的下一代高效器件。本研究不僅全面總結了當前研究中的關鍵科學問題，也明確指出了未來的發展方向：降低開路電壓損失：通過界面工程和能級匹配減少非輻射復合；開發理想中間層材料：尋找穩定的窄帶隙鈣鈦礦以提升電流輸出；提升器件穩定性：通過材料組分調控和封裝技術增強長期運行壽命；推進規模化制備：探索低成本、兼容性強的大面積沉積工藝。該綜述的發表，不僅為科研人員提供了系統性的研究框架和問題導向，也為產業界探索低成本、高效率的下一代光伏器件提供了技術路線圖。未來，鈣鈦礦多結太陽能電池有望在大規模清潔能源生產中發揮核心作用，助力“雙碳”目標的實現。論文上線截圖，DOI: 10.1038/s44359-025-00103-8鈣鈦礦-硅多結太陽能電池的演變及工作原理基于鈣鈦礦的多結太陽能電池的能量產出評估

2025-09-19

Nature再+1！深圳先進院聯合開發新型SAM分子策略解決反式鈣鈦礦太陽能電池穩定性難題

9月17日，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所光子信息與能源材料研究中心楊春雷研究員和張杰副研究員團隊，聯合香港嶺南大學、吉林大學、香港城市大學的研究團隊，合作在Nature上發表最新研究成果。空穴選擇性自組裝單分子層（SAM）在推動反式鈣鈦礦太陽能電池認證光電轉換效率（PCE）達到27%以上發揮了關鍵作用。然而，它們的不穩定性往往會損害器件的運行性能，嚴重阻礙其實際應用。針對這一挑戰，9月17日，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所光子信息與能源材料研究中心楊春雷研究員和張杰副研究員團隊，聯合香港嶺南大學、吉林大學、香港城市大學的研究團隊，合作在Nature上發表最新研究成果。合作團隊開發出了一種普適性的SAM分子原位交聯構象強化策略，解決了SAM在高效率鈣鈦礦基光伏技術中的穩定性難題，對促進反式鈣鈦礦光伏技術和下一代鈣鈦礦基疊層光伏技術的商業化應用具有重要意義。該研究中，研究團隊設計引入了一種優化了碳鏈長度的含疊氮基團新型SAM分子JJ24，能夠增強主體SAM分子CbzNaph在透明導電氧化物襯底表面的分布均一性，并抑制自組裝過程中缺陷和空隙的形成。JJ24分子的含疊氮基團可以通過熱激活方式，與CbzNaph分子的烷基鏈原位共價交聯，構成緊密組裝的co-SAM層（圖1）。這一結構顯著增強了CbzNaph的擇優取向性（圖2），并通過強化CbzNaph分子烷基鏈連接體剛性，抑制在光照和熱應力下因分子擺動而引起的透明導電氧化物襯底表面暴露，防止了鈣鈦礦層埋底界面分解，并抑制器件界面處的非輻射復合損失（圖3）。基于該方法制備的反式鈣鈦礦太陽能電池同時實現了26.9%的認證效率，且連續工作1,000小時后，效率零衰減（基于ISOS-L-2測試標準），并在–40°C至85°C之間經過700次重復熱循環后，仍能保持>98%的初始PCE，代表了該領域的頂尖水平（圖4）。該研究提出了一種普適性的SAM分子原位交聯構象強化策略，改善了SAM分子的襯底覆蓋度和構象穩定性，解決了高效率反式鈣鈦礦太陽能電池埋底界面退化引發的工況穩定性難題，同時也為其他采用高粗糙度基底的高效率SAM基器件的工況穩定性提供了解決方案，對鈣鈦礦基光伏技術在光伏電站、光伏建筑一體化、新能源汽車光伏充電、低空飛行器光伏動力能源和分布式光伏等方面的商業化應用具有重要意義。香港城市大學姜文林博士和曲歌平博士為共同第一作者。通訊作者為香港城市大學任廣禹教授、中國科學院深圳先進技術研究院張杰副研究員、吉林大學蔣青教授、香港嶺南大學吳圣釩教授。在中國科學院深圳先進技術研究院的研究工作得到了國家自然科學基金的資助。文章上線截圖，原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09509-7圖1. CbzNaph和JJ24的分子設計與交聯機制，及其PiFM實驗驗證。圖2. CbzNaph分子和JJ24分子的分子動力學模擬。圖3. CbzNaph和JJ24分子交聯對鈣鈦礦層埋底界面分解機制的研究。圖4. 應用CbzNaph:JJ24交聯空穴選擇層的反式鈣鈦礦太陽能電池效率及穩定性測試。

2025-09-19

深圳先進院?| 破解細菌信號“解碼”新機制開辟定量合成生物學全新設計維度(Nature Physics)

9月15日，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室金帆團隊聯合中國科學院成都文獻情報中心楊帥團隊在國際期刊《自然物理》發表最新研究成果，首次破解了細菌頻率調制（FM）信號處理的物理密碼。研究發現，在三基因調控系統中，頻率調制可比傳統振幅調制提升約2個比特的信息熵，從而實現對多基因系統的精確協調控制。9月15日，中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室金帆團隊聯合中國科學院成都文獻情報中心楊帥團隊在國際期刊《自然物理》發表最新研究成果，首次破解了細菌頻率調制（FM）信號處理的物理密碼。研究發現，在三基因調控系統中，頻率調制可比傳統振幅調制提升約2個比特的信息熵，從而實現對多基因系統的精確協調控制。這是定量合成生物學全國重點實驗室繼今年3月揭示細菌信號“編碼”規律后，在“解碼”機制研究方面取得的又一重要突破。研究顯著提升了人工生命系統的理性設計能力，為合成生物學開辟了全新的設計維度。打破傳統策略工程化破解頻率解碼機制當前，合成生物學面臨一項核心挑戰：如何仿效自然界實現多個基因的精確協調控制？現有調控方法大多基于“振幅調制”，即調節信號強度來操控基因表達。然而，自然界中普遍存在的振蕩現象——從細胞內的鈣離子振蕩到轉錄因子的脈沖動態——表明“頻率調制”可能是一種更加高效的信息編碼方式。“就像收音機可以通過調頻（FM）獲得比調幅（AM）更清晰的信號一樣，細菌也可能利用頻率調制來實現更精細的基因調控。”論文通訊作者金帆表示，“但細菌究竟是如何‘解碼’這些頻率信號的，一直是領域內未解的難題。”研究團隊采用合成生物學工程化手段，通過基因編輯技術在銅綠假單胞菌中重構了簡化的細菌信號分子環磷酸腺苷（cAMP）信號傳遞通路，并巧妙利用光控合成系統替代內源性cAMP合成機制，用組成型啟動子替代天然的反饋調節系統，成功構建出可精確控制和定量監測的“頻率解碼cAMP電路”（FDCC）。“這就像是為細菌安裝了一個可編程的‘信號接收器’。”論文共同通訊作者楊帥解釋道，“我們可以精確控制輸入什么樣的頻率信號，然后觀察細菌是如何‘理解’和‘響應’這些信號的。”通過嚴格的時間尺度分析，研究團隊發現FDCC系統天然呈現三個功能明確的模塊：“波形轉換器”負責將周期性光刺激轉化為cAMP的鋸齒波濃度變化；“閾值濾波器”借助分子間的協同結合，實現對不同頻率信號的選擇性過濾；“積分器”則將動態頻率信息轉化為穩態的蛋白表達水平。該分層架構的精妙設計，在于每一模塊均在自己的“最佳工作頻率”區間運行，三者協同運作實現了從頻率到振幅的完美轉換。大設施賦能頻率調制實現信息熵躍升研究團隊構建了從微觀分子反應到宏觀系統行為的多層次理論框架。數學分析發現，關鍵的無量綱參數如同“頻率開關”，控制著系統優先傳遞高頻或低頻信號。值得注意的是，該理論預測與實驗數據相關性達99.2%，這一精度在復雜生物系統的研究中尤為難得。依托深圳合成生物研究重大科技設施的自動化實驗平臺，研究團隊首次以精準的定量數據，揭示了頻率調制的顯著優勢。自動化實驗平臺集成可編程光信號控制、細菌培養搖動、自動化溶液處理和熒光測量四個核心功能模塊，能夠并行處理大量實驗樣本，并對每個獨立樣本進行不同參數的光調控。在超過12小時的長時間實驗中，該平臺表現出優異的穩定性和重現性，96個平行樣本的檢測指標波動極小，高通量、自動化的實驗能力為系統性驗證提供了關鍵保障。通過對大量數據的系統分析，團隊發現頻率調制可極大提升細菌的信息處理能力。“這意味著通過頻率調制，細菌的信息處理能力從‘單車道’變成了‘多車道’，能夠精確控制更多基因的表達，最終實現更復雜、更精細的生物功能。”金帆解釋道。“頻率調制以更簡潔的遺傳結構，為合成生物學帶來了更精準、更復雜的調控新維度，將顯著提升代謝工程中多通路協調優化與細胞治療中響應性設計的能力。”據團隊介紹，定量合成生物學全國重點實驗室聚焦世界科技前沿，圍繞生命功能涌現性原理，建立起定量合成生物學底層理論框架。目前，團隊依托深圳合成生物研究重大科技基礎設施系統構建了“定量解析-理性設計-自動構建”全鏈條創新體系。該設施實現了從菌株設計、構建、測試到學習的工程化閉環，顯著提升了合成生物底盤菌株的研發與篩選效率。文章上線截圖原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-03030-4

2025-09-17