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北大、中国农大2020年首日在《nature》发文 解决2大世界级难题

时间:2020-01-02 来源:iNature 作者:佚名 本文字数:3810字

  刚刚开年,北京大学和中国农业大学分别在国际顶级期刊《自然》上发表论文,真是开门红,具体如下:

北京大学等研究团队首次在实验上证实了二维冰的存在

  2020年开年伊始,北京大学量子材料中心江颖、徐莉梅与美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成以及北京大学/中国科学院王恩哥等合作,利用高分辨qPlus型原子力显微镜技术,首次在实验上证实了二维冰的存在,将其命名为二维冰I相,并获得了二维冰边界结构的原子级分辨成像,揭示了二维冰特殊的生长机制。该工作以“Atomic imaging of edge structure and growth of a two-dimensional hexagonal ice”为题,发表在国际顶级学术期刊《自然》上。

自然上发表的二维冰存在论文

北京大学在《自然》上首次在实验上证实了二维冰的存在

  经过近百年的探索,人们已经发现了冰的18种三维晶体结构,其中自然界最常见的就是六角形的冰相。然而,是否有稳定存在的二维冰,学术界一直有很大争议。

  近日,北京大学、美国内布拉斯加大学林肯分校以及中国科学院的研究团队,利用高分辨qPlus型原子力显微镜技术,首次在实验上证实了二维冰的存在,并以原子级分辨率拍到了二维冰的形成过程,揭示其特殊的生长机制。北京时间1月2日,该成果在国际顶级学术期刊《自然》发表。

  二维冰由两层六角冰堆叠而成,两层之间靠氢键连接

  早在20世纪20年代,英国着名物理学家、X射线发现者布拉格与其它几位科学家便分别利用X射线“描绘”冰晶体结构,拉开了三维冰结构研究的序幕。2015年,石墨烯发现者安德鲁·盖姆带领的团队在双层石墨烯间发现了一种四方二维冰相,轰动学术界,但这种二维冰随后被质疑是氯化钠的晶体结构,二维冰存在与否一直成谜。

  在此次研究中,科研人员精确控制温度和水压,在疏水的金衬底上,生长出一种单晶二维冰结构。他们将非侵扰式原子力显微镜成像技术运用于二维冰的亚分子级分辨成像,再结合理论计算确定了其原子结构。

  “结果表明,二维冰由两层六角冰无旋转堆叠而成,两层之间靠氢键连接,每个水分子与同一层的水分子形成三个氢键,与上下层的水分子形成一个氢键,因此所有的氢键都被饱和,结构非常稳定,是一种可以独立存在的‘自饱和’二维冰。”北京大学量子材料中心教授江颖说。

  此次研究发现的二维冰,不再是传统的四面体结构,而是六边形的二维平面结构,表面非常平整。1997年,美国科学家古贺、曾晓成等人利用分子动力学模拟首次预测了这种“互锁型”双层二维冰,但一直缺乏确切的实验证据。因此,此次研究也是第一种被实验所证实的二维冰结构,研究人员将它正式命名为“二维冰I相”.

  怎样才能看到二维冰的形成?研究人员巧妙地将二维冰从-153摄氏度到“速冻”到-268摄氏度,把冰生长过程中的一系列中间状态冻结下来,并对其进行了稳定的成像,最终看清了二维冰在原子尺度的动态生长过程。

  同时,他们结合理论计算和模拟,提出了二维冰岛锯齿状边界的“搭桥”式生长和扶椅状边界的“播种”式生长机制。而且,二维冰边界亚稳态的相对稳定性,与衬底的具体结构几乎无关。

二维冰示意图

二维冰结构示意图

  对于研发防结冰、润滑材料意义重大

  长久以来,冰是如何成核、生长的,大都局限在宏观尺度的研究,缺少微观尺度上的图像。该研究首次实现了二维冰成核生长的原子尺度表征,有助于人们理解冰在低维和受限条件下的形态和生长过程。

  二维冰的发现不仅挑战了一百多年来人们对冰相的传统认识,而且应用前景广阔。“例如,我们最近发现二维冰对于三维冰的生长具有重要影响。如果有二维冰的存在,三维冰会贴着表面生长,非常稳固。但如果没有二维冰,形成的三维冰与表面接触面很小,很容易被风吹走。所以我们可以根据二维冰的结构更有针对性的设计和研发防结冰材料。”江颖认为,二维冰中水分子所有的氢键都被饱和,因此与表面的相互作用极小,可以起到超润滑的作用。利用二维冰,可以减小材料之间的摩擦。

  同时,二维冰可以作为一种特殊的二维材料,为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的平台。

  “该研究打开了二维冰家族系列研究的大门,同时,这种二维冰的生长机理与以前所揭示的蜂窝二维材料,如石墨烯、氮化硼的生长机理,在成核和生长动力学方面有一定的类似性。”南京航空航天大学郭万林院士评价,该研究改变了人们对二维冰成核和生长的传统认识,对于材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等领域的研究有重要意义。

  中国科学技术大学杨金龙院士认为,该研究突破实验挑战,捕获了二维冰生长过程中的边界原子结构,结合理论计算模拟,揭示了二维冰的生长机制,为人们理解受限空间里冰的生长和形态提供了新视角,具有重要的科学意义。
 

中国农业大学李云开等人揭示中国的可持续发展模式

  为应对全球挑战,有193个国家承诺实现17个联合国可持续发展目标(SDGs)。量化实现可持续发展目标的进展,对于跟踪全球在可持续发展方面的努力并指导政策制定和实施至关重要。但是,缺乏评估实现可持续发展目标的时空进展的系统方法。

  2020年1月1日,中国农业大学李云开及密歇根州立大学Liu Jianguo共同通讯在Nature 在线发表题为“Assessing progress towards sustainable development over space and time”的研究论文,该研究开发和测试系统的方法,以量化中国在国家和国家以下各级实现17个SDG的进展。

  该研究分析表明,从2000年到2015年,中国的SDG指数得分(代表实现所有17个SDG的总体绩效的总得分)在全国范围内有所提高。在此期间,每个省的SDG指数得分也都有所提高。跨地区的时空变化很大。例如,在2000年代,华东地区的SDG指数得分高于中国西部,2015年,华南地区的SDG指数得分高于华北。在全国范围内,17个SDG中的13个得分随着时间的推移而提高,但是四个SDG的得分却下降了。这项研究表明,有必要在全球和其他国家追踪实现可持续发展目标的时空动态。

  总而言之,这项研究提供了国家和国家以下各级所有17个可持续发展目标的时间可持续性评估。 因此,本文概述的方法对中国的监测工作具有价值。 该方法也可能为分析其他国家以及地方乃至全球层面的可持续发展目标进展的时空模式奠定基础。最后,该文章被选为最新一期Nature 的封面文章(同时Nature 对于该文章进行了系统的点评,尤其是比较中国与美国的发展情况)。

中国农业大学在自然上发表论文

中国农业大学在《自然》上发表关于中国可持续发展模式的评估方法

  为了实现这些雄心勃勃的可持续发展目标,世界需要通过评估国家和国家以下各级过去和当前的状况来监测所有17个可持续发展目标的进展。但是,尚无研究探讨国家和国家以下各级向可持续发展目标迈进的时空动态。迫切需要这些信息,因为许多国家面临人口增长,边界内各地区发展不平衡以及快速发展的经济体中资源匮乏时实现可持续性的挑战。

  可持续发展的时空分析可以帮助各国确定热点地区,以便采取有针对性的政策行动并跟踪实现可持续发展目标的进展。随着时间的推移,了解发达和发展中地区之间的可持续发展差异可以帮助一个国家平衡其整个地区的可持续发展。

中国的SDG指数得分和个人SDG得分的变化

中国的SDG指数得分和个人SDG得分的变化

  在这项研究中,研究人员开发了系统的方法来量化可持续发展目标,并通过对时空分布和人口最大的中国17个可持续发展目标的进展进行了全面的时空分析,从而提供了量化的证明。在过去的几十年中,中国经历了快速的经济发展,这体现在其国内生产总值(GDP)的惊人增长中,并成为了世界第二大经济体。但是,中国也面临着巨大的社会经济挑战,例如收入和性别不平等,以及环境挑战,例如水资源短缺和污染,能源短缺以及空气和土壤污染。中国内部的这些社会经济和环境挑战因地区而异,并且随着时间的推移而发生了显着变化。中国正努力在复杂的环境和社会经济挑战与政策下实现可持续性。为了促进可持续发展,中国实施了各种政策,例如“西部大开发战略”和“天然林保护计划” 。

  通过对一段时间内的可持续发展目标进行量化(评分),研究人员跟踪了中国在国家和省以下(省级)实现可持续发展目标的进展。该研究解决了四个主要问题。首先,按照可持续发展目标衡量,中国的可持续发展在国家层面如何演变?其次,随着时间的推移,中国各省的可持续发展有何变化?第三,随着时间的推移,中国发达和欠发达省份之间的可持续发展差异如何演变?第四,不同的可持续发展目标之间的进展如何?

  为了回答这些问题,研究人员使用了2000年至2015年国家一级的17个SDG的年度时间序列数据,并计算了SDG指数得分(0-100),其中包括17个SDG的单个得分,代表了中国的总体实现所有17个SDG14的绩效。根据2000年,2005年,2010年和2015年省级17个SDG的数据,检测了中国各省SDG指数得分的时空变化。然后,研究人员比较了发达和发展中省份SDG指数得分随时间的变化(由各省2000-2015年的平均人均GDP确定)。最后,通过比较各个SDG的得分,研究人员检查了实现不同SDG的相对进展。

  该研究分析表明,从2000年到2015年,中国的SDG指数得分(代表实现所有17个SDG的总体绩效的总得分)在全国范围内有所提高。在此期间,每个省的SDG指数得分也都有所提高。跨地区的时空变化很大。例如,在2000年代,华东地区的SDG指数得分高于中国西部,2015年,华南地区的SDG指数得分高于华北。在全国范围内,17个SDG中的13个得分随着时间的推移而提高,但是四个SDG的得分却下降了。这项研究表明,有必要在全球和其他国家追踪实现可持续发展目标的时空动态。

  这项研究提供了国家和国家以下各级所有17个可持续发展目标的时间可持续性评估。因此,本文概述的方法对中国的监测工作具有价值。 该方法也可能为分析其他国家以及地方乃至全球层面的可持续发展目标进展的时空模式奠定基础。

  祝贺北京大学和中国农业大学!

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