【學術(shù)科研快訊】北理工近期科研動態(tài)一覽
發(fā)布日期：2018-11-02
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數(shù)：
北理工主持的國家重點研發(fā)計劃項目成果發(fā)表于環(huán)境科學頂級期刊
日前，北京理工大學材料學院高能材料設計與合成國防創(chuàng)新團隊何春林教授與美國愛達荷大學Shreeve教授合作在新型含能材料研究方面取得重要進展,。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《Journal of Materials Chemistry A》,，文章題目為“Energetic salts of 4-nitramino-3-(5-dinitromethyl-1,2,4-oxadiazolyl)-furazan: powerful alliance towards good thermal stability and high performance”。論文第一作者為何春林教授,，第一單位為北京理工大學材料學院,。
新型含能材料作為決定武器裝備性能的關(guān)鍵技術(shù)，它的突破可以有效推動武器裝備系統(tǒng)的更新?lián)Q代,。硝胺類含能材料由于N-NO?的低鍵離解能（BDE）使該類化合物通常表現(xiàn)出較高的感度,。由于偕二硝甲基(-C(NO?)?)中的C-NO?具有更高的鍵離解能和氧含量，預期該類化合物將獲得更低的感度,，更高的密度,，氧平衡和能量。
單晶結(jié)構(gòu)圖,，晶胞堆積以及分子內(nèi)弱作用力分析
文章以丙二氰為原料通過四步反應以50%的收率制備了3種偕二硝甲基新型含能化合物,，在此基礎上通過采用價格低廉的丙二酸二甲酯替代反應路線中價格昂貴且穩(wěn)定性差的丙二酸甲酯酰氯獲得了一條更加廉價的制備路線。所制備的新型含能化合物中的兩種化合物爆速與傳統(tǒng)炸藥奧克托今相當,，且比奧克托今更加鈍感更加綠色,，可作為傳統(tǒng)炸藥的有效替代物,。由于研制的化合物的良好的應用前景，該項研究成果被選作該期刊的“熱點文章”(Hot Paper),。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta06199h
北理工霍毅欣教授課題組在《自然?通訊》雜志上發(fā)表最新研究成果
2018年9月6日,，北京理工大學生命學院霍毅欣課題組在自然集團旗下綜合性期刊《Nature Communications》 （IF="12.353，2018年Google" Scholar最具學術(shù)影響力期刊排名第7）上發(fā)表了題為“Utilization of rare codon-rich markers for screening amino acid overproducers”的研究論文,。該研究首次通過增加序列中稀有密碼子的數(shù)量來提高蛋白翻譯所需氨基酸濃度的“門檻值”,，利用必需基因和顏色蛋白編碼基因，建立了氨基酸高產(chǎn)菌株的選擇和篩選體系,，并證明了該方法在大腸桿菌（Escherichia coli）和谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum）中的可行性。
稀有密碼子減緩翻譯速率及恢復方式
本研究為氨基酸高產(chǎn)菌株的篩選提供了新系統(tǒng),，解決了傳統(tǒng)類似物篩選法存在的高毒性,、低陽性率和適用對象有限的問題，理論上可用于任何一種天然氨基酸高產(chǎn)菌株的篩選,，同時也為氨基酸高產(chǎn)機制的發(fā)現(xiàn)提供了新思路,，可用于氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)中優(yōu)良菌株的構(gòu)建，進而推動氨基酸市場的增長,，促進氨基酸在食品,、醫(yī)藥、養(yǎng)殖業(yè)等民生領(lǐng)域的應用,。
轉(zhuǎn)錄組分析基因表達變化
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05830-0
北理工在量子行走和拓撲態(tài)研究方面取得重要進展
北京理工大學物理學院張向東教授課題組（博士研究生王波,、青年教師陳天副教授和張向東教授）構(gòu)建出了能夠適用于觀察拓撲界面態(tài)的二維量子行走平臺。在這個平臺上首次實驗上觀測到陳數(shù)為零的拓撲保護束縛態(tài),。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《物理評論快報》【Phys. Rev. Lett. 121, 100501 (2018)】上,，該工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金委的資助。博士生王波和陳天副教授為共同第一作者,，張向東教授和陳天副教授為共同通訊作者,。
課題組在搭建適用于觀察拓撲界面態(tài)的二維量子行走系統(tǒng)過程中，使用光的軌道角動量和空間位置兩個自由度來映射出量子行走系統(tǒng)的二維位置空間,。利用定制的具有多個圖案的q-plate和雙折射晶體,，可以分別實現(xiàn)在光的軌道角動量和空間位置上有條件平移操作；配合半波片實現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)操作,，從而在實驗上就實現(xiàn)了二維量子行走,。
二維量子行走實驗方案
由于在該平臺上可以很方便地對不同的位置空間執(zhí)行不同的旋轉(zhuǎn)操作，因此可以在系統(tǒng)中構(gòu)建出不均勻的區(qū)域用以表征不同的拓撲相,。在這兩塊不均勻的區(qū)域的邊界上,，課題組首次在二維量子行走中觀測到反常的拓撲保護束縛態(tài)，并且證明了在擾動和無序條件下該束縛態(tài)的魯棒性,。
實驗規(guī)則束縛態(tài)及其魯棒性
通常情況下,，人們認為拓撲保護的束縛態(tài)會出現(xiàn)在兩個具有不同拓撲相的區(qū)域的界面處,，而張向東教授課題組的研究結(jié)果表明，在兩個拓撲相對應的拓撲不變量相同（陳數(shù)都為0）的區(qū)域界面處,，也是存在拓撲保護的束縛態(tài),。這種現(xiàn)象不符合以往在靜態(tài)系統(tǒng)中對于陳數(shù)的理解，而是周期性驅(qū)動的離散行走中特有的現(xiàn)象,。在之前的光學波導系統(tǒng)中,，通過精巧的設計，研究者可以觀察到反常的拓撲保護的束縛態(tài),；而在量子行走系統(tǒng)中,，課題組從實驗上證明了反常的拓撲保護的束縛態(tài)的存在。該研究結(jié)果豐富了人們對拓撲相的理解,，并且為研究高維量子行走的拓撲現(xiàn)象提供了一種新途徑,。
北理工“生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)”研究團隊在物理化學國際知名期刊發(fā)表文章
北京理工大學化學與化工學院“生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)”研究團隊李春教授課題組在物理化學國際知名期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》雜志上發(fā)表題為“Design of Glyco-Linkers at Multiple Structural Levels to Modulate Protein Stability” 的研究論文。這項研究由北京理工大學化學與化工學院李春教授課題組與中科院高能物理所趙麗娜副研究員課題組合作完成,。
天然糖基化的“連接臂”作用機制
在真核生物中,，N-糖基化是一種重要的翻譯后修飾，對調(diào)控蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用,。然而,，生物體內(nèi)自發(fā)的N-糖基化隨機性較強，大多的糖基修飾不能處于穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的最佳位點,，導致其對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的提升作用不顯著,，甚至不合適的N-糖基還會降低酶的穩(wěn)定性，大大限制了其在蛋白質(zhì)穩(wěn)定性改造中的應用,。
人工設計的“糖橋”和“糖卡”構(gòu)象顯著提高PGUS的熱穩(wěn)定性
北京理工大學化學與化工學院李春教授課題組以前期完成晶體結(jié)構(gòu)解析的真菌β-葡萄糖醛酸酶（PGUS,，同源四聚體結(jié)構(gòu)）為模型蛋白，并將其在畢赤酵母（能夠在蛋白質(zhì)的特定位點引入高甘露糖型糖鏈）中異源表達（PGUS-P）,，驗證了蛋白質(zhì)內(nèi)源的Asn383和Asn594位點的糖基化對PGUS-P的穩(wěn)定性有顯著影響,。通過計算機模擬與實驗相結(jié)合的方法，揭示了PGUS-P的兩個內(nèi)源N-糖基功能類似于“連接臂”,，能將空間上距離相近的超二級結(jié)構(gòu)域相連,，使得其局部結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而提高了蛋白質(zhì)的整體穩(wěn)定性,。以此為啟發(fā),，研究人員通過對PGUS的晶體結(jié)構(gòu)分析，在超二級結(jié)構(gòu)域,、結(jié)構(gòu)域,、亞基界面間設計了N-糖基化位點，進一步提高了PGUS-P的動力學,、熱力學穩(wěn)定性,。酶學性質(zhì)表征并結(jié)合全原子分子動力學模擬結(jié)果表明,，在結(jié)構(gòu)域界面間的Asn208位糖鏈和周圍二個結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生的作用力，形成了“糖橋”構(gòu)型,，將蛋白質(zhì)在70°C下的半衰期提高了2.7倍,，去折疊自由能提高了8.4kJ/mol；而在亞基界面間的Asn40位糖鏈通過和相鄰亞基的作用,，形成了“糖卡”構(gòu)型,，將熱穩(wěn)定性提高了7.1倍，去折疊自由能提高了14.6kJ/mol,，同時酶的催化效率也提高了1.7倍,。
研究人員不僅從蛋白質(zhì)多層次結(jié)構(gòu)的角度對糖鏈和蛋白質(zhì)之間的相互作用提供了獨特的見解，而且促進了N-糖基化的理性設計,，使其成為提高蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的通用技術(shù),。相關(guān)研究發(fā)表在《Journal of Physical Chemistry Letters》（2018, 9, 4638?4645）雜志上，該文章的第一作者是北京理工大學的馮旭東預聘助理教授和王小艷博士,。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b01570
北理工黃佳琦特別研究員在國際頂尖期刊發(fā)表電子/離子混合導體界面重要研究論文
日前，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦特別研究員和中國科學院物理研究所李泓研究員,、清華大學化工系張強教授合作,，在用以保護金屬鋰負極的電子/離子混合導體界面設計方面取得重要進展。該研究通過化學液相法在鋰電極的表面構(gòu)筑混合的離子導體和電子導體雙連通界面來實現(xiàn)電池高效利用和長續(xù)航壽命,，開拓了人工界面層保護電極的新思路和新方法,。相關(guān)研究成果2018年9月27日在線發(fā)表于《先進材料》（Advanced Materials, 影響因子21.95），題目為“An Armored Mixed Conductor Interphase on a Dendrite-Free Lithium-Metal Anode”,。該工作第一單位為北京理工大學,，通訊作者為北京理工大學黃佳琦特別研究員、中國科學院物理研究所李泓研究員,、清華大學張強教授,。第一作者為前沿交叉院/材料學院博士研究生閆崇，并列第一作者為清華大學程新兵博士,。
該團隊通過化學液相反應法,，在金屬鋰電極表面設計了具有高楊氏模量、快速離子傳輸特性的離子/電子混合導體界面層（Mixed conductor interphase,，簡稱MCI）,。MCI層作為固液界面層（Solid electrolyte interphase，SEI）和金屬鋰電極之間的過渡層,，在具有高離子導率的同時兼顧一定的電子導率,。
離子/電子導體混合導體界面的鋰離子輸運示意圖
MCI層中離散分布的銅原子打破了相對長程有序的晶體結(jié)構(gòu)，形成了更多的晶界和多晶區(qū)域缺陷,，保證了鋰離子在界面層中的快速傳導,，微弱的電子導率為鋰離子在界面層中的遷移提供了遷移電場作為驅(qū)動力,，對于定向引導鋰離子輸運具有重要價值。
混合離子/電子導體界面層與純離子導體界面層TEM
MCI保護界面的金屬鋰負極用在匹配鎳鈷錳三元正極（NMC532）的全電池中,，電池的平均庫倫效率達到了99.8 %,；電池的續(xù)航能力和穩(wěn)定性也被顯著提升，相比于傳統(tǒng)的電極界面中電池經(jīng)過100次循環(huán)后容量降低到50mAh g?1,，具有MCI保護層界面的電池在0.5 C（2小時充滿額定容量）充放電倍率下,，經(jīng)過500次循環(huán)容量依然維持在50mAh g?1，將電池的壽命延長了5倍,。
MCI保護層下鎳鈷錳三元（NMC532）鋰電池電化學性能
與研究人員長期以來對于界面的認知不同,，MCI保護層的提出在電極界面保護具有示范意義，突破性地提出了構(gòu)建離子/電子混合過渡界面來實現(xiàn)離子的快速定向運輸,，該研究工作得到審稿人的高度評價,，認為MCI過渡界面層的提出有助于完善對電極界面的完整認識，為界面設計和保護提供新的思路和方向,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201804461
北理工材料學院在《自然·通訊》發(fā)表超高強高熵合金研究成果
日前,，北京理工大學材料學院王富恥、王魯教授團隊,，薛云飛課題組在國際頂級學術(shù)期刊《Nature Communications》上發(fā)表了題為“High-content ductile coherent nanoprecipitates achieve ultrastrong high-entropy alloys”的研究論文,。該研究創(chuàng)新了高熵合金設計理念，綜合多種強化機制,，開發(fā)出了超強高熵合金,。
合金獨特的調(diào)幅納米結(jié)構(gòu)
為了進一步提升高熵合金的強度，同時還保有足夠的韌性及高熵合金獨特的優(yōu)勢,，研究團隊經(jīng)過長期攻關(guān),，創(chuàng)新合金設計理念，成功在高熵合金中引入大量納米強化相并獲得一種獨特的納米調(diào)幅結(jié)構(gòu),。該結(jié)構(gòu)可通過多重機制,，提供有效強化，貢獻超過560%的強度增加,。
這一新型超高強高熵合金不僅具有超高的強度（1.9GPa,，接近傳統(tǒng)鈦合金的兩倍）和良好塑性，還具有比傳統(tǒng)鋼鐵材料密度低,、耐蝕性好等優(yōu)勢,，能滿足先進武器裝備對材料性能的苛刻需求，展現(xiàn)出切實的應用潛力,。
超強高熵合金與已報道高熵合金力學性能對比
這一原創(chuàng)性成果在極大提升高熵合金強度的同時,，仍能保持良好的塑性和加工硬化能力，不但大幅度提高高熵合金的綜合性能，進一步拓展了可能的工程應用領(lǐng)域,，其創(chuàng)新設計理念還能為高熵合金的設計提供更多的可能性,，為開發(fā)兼具超高強度和塑性的高熵合金開辟新的途徑。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-06600-8
北理工管理與經(jīng)濟學院李果教授課題組在Decision Sciences上發(fā)表最新研究成果
北京理工大學管理與經(jīng)濟學院李果教授（第一作者）,，鄭鴻博士生等合作的研究成果“Inducing Downstream Information Sharing via Manufacturer Information Acquisition and Retailer Subsidy”于2018年10月1日在決策科學類國際頂級期刊《Decision Sciences》上在線發(fā)表,。
文章分析了供應鏈上游制造商如何利用自主獲取市場信息（Information Acquisition）和提供補貼（Subsidization）的方式來激勵下游競爭性零售商分享其私有的市場信息。研究表明,，在均衡模式下,，制造商會采用主動獲取市場信息并且提供補貼的方式來激勵下游零售商分享信息。此外,，同時補貼策略（Simultaneous Subsidy）和順序補貼策略（Sequential Subsidy）會導致相同的均衡結(jié)果,，并且該均衡占優(yōu)在部分補貼策略（Partial Subsidy）下的均衡。
橫坐標為市場競爭強度,，縱坐標為獲取信息的不精確程度
該成果開創(chuàng)性地研究了三種不同的補貼策略,，并且結(jié)合了市場信息不對稱和下游競爭性零售商等因素，為現(xiàn)實中的上游制造商激勵下游零售商分享其私有信息,，提供了切實可行的理論指導,。文章指出，當獲取的信息精度和市場競爭強度都不高的時候,，選擇同時補貼 （Simultaneous Subsidy） 或者順序補貼策略 （Sequential Subsidy） 是制造商的最優(yōu)策略,；否則，部分補貼策略 （Partial Subsidy）為制造商的最優(yōu)策略,。
論文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/deci.12340
北理工主持的國家重點研發(fā)計劃項目成果發(fā)表于環(huán)境科學頂級期刊《Global Environmental Change》
北理工管理與經(jīng)濟學院魏一鳴教授領(lǐng)銜的國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFA0602600)“氣候變化經(jīng)濟影響綜合評估模式研究”之成果“共享社會經(jīng)濟路徑下的社會碳成本”（Social cost of carbon under shared socioeconomic pathways），近日發(fā)表于環(huán)境科學頂級期刊《Global Environmental Change》,。根據(jù)Web of Science期刊排名,，該期刊在環(huán)境研究領(lǐng)域排名第二，僅次于自然子刊《Nature -Climate Change》,。文章第一作者楊璞是管理與經(jīng)濟學院碩士研究生,，魏一鳴教授和米志付博士是該文的通訊作者。
該研究應用魏一鳴教授團隊自主開發(fā)的“中國氣候變化綜合評估模型（China’s Climate Change Integrated Assessment Model,，以下簡稱C3IAM）”,，與2018年諾貝爾經(jīng)濟學獎得主諾德豪斯教授開發(fā)的DICE模型相結(jié)合，用C3IAM結(jié)果在SSP路徑下重新估計了DICE模型中的減排成本函數(shù),，在SSP的社會經(jīng)濟假設下對社會碳成本進行估計和不確定性的討論,。結(jié)果表明，社會和國家分化和發(fā)展中國家快速發(fā)展的社會經(jīng)濟特征將會提高排放的社會成本,。
研究框架
考慮氣候損失的不確定性,，在減排和適應挑戰(zhàn)較高的區(qū)域分化發(fā)展情景下，2020年平均社會碳成本為45 美元/噸CO?,，顯著高于其他四種情景下的社會碳成本（10~19美元/噸CO?）,，并在后期保持較高水平,，在2050年增加到108美元/噸CO?。這表明,，區(qū)域間合作可有效降低社會碳成本,；如果世界社會經(jīng)濟條件日益向區(qū)域?qū)狗只较虬l(fā)展，排放的社會成本將會大幅增加,。
SSP路徑下社會碳成本的變化（灰色表示不同損失函數(shù)下的變化路徑）
由于不同的損失函數(shù)衡量氣候變化影響的范圍和時間尺度不同,，得到的結(jié)果也具有較大差異。一類損失函數(shù)突出氣候變化后期的不可逆變化,，而氣候變化前期的社會排碳成本極低甚至為負值,。這種負的社會排碳成本可以理解為在溫度小幅度上升時，增加單位排放帶來的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)等正向收益高于導致極端天氣的負向損失,，能夠增加社會福利,。而另一類損失函數(shù)則將氣候變化描繪為連續(xù)的漸進式變化，得到的社會碳成本的變化趨勢相對平緩,。
九種損失函數(shù)下不同社會經(jīng)濟發(fā)展路徑的社會碳成本變化趨勢
代際貼現(xiàn)率也是影響社會碳成本的關(guān)鍵因素,，代際貼現(xiàn)率越大，對未來福利的折減越多,，對應的社會碳成本越低,。0%~5%的代際貼現(xiàn)率下，2020年社會碳成本呈現(xiàn)指數(shù)下降的趨勢,，平均值分別為146美元/噸CO?,，37美元/噸CO?，12美元/噸CO?,，5美元/噸CO?,，3美元/噸CO?，2美元/噸CO?,。在0%的代際貼現(xiàn)率下未來福利的變化對當期決策影響更大,，得到的社會碳成本更高。同時,，低貼現(xiàn)率放大了未來排放水平,、溫度和氣候損失產(chǎn)生的不確定性，得到的社會排放成本最大值為501美元/噸CO?,，最小值為-25美元/噸CO?,，相比其他貼現(xiàn)率下的極差最大。
2020年代際貼現(xiàn)率為0%~5%下的社會碳成本與2017年碳配額價格和碳稅的比較
論文鏈接：https://authors.elsevier.com/c/1XvAC3Q8oP-86e
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