科學前沿

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48K下鐵基硫族化合物超導性重現(xiàn)

2010年發(fā)現(xiàn)的新型鐵基硫族化合物超導體為非常規(guī)超導體的研究探索開辟了新的研究方向和提供了新的機遇。這類超導體在常壓下的超導轉變溫度約為32K，中子散射研究結果表明，這類超導樣品具有很強的反鐵磁磁距并在鐵離子的正方型格子中存在鐵離子有規(guī)律的缺位。大量的理論和實驗研究結果表明，對于關聯(lián)電子系統(tǒng)中的超導電性是由其晶體結構、電荷、軌道和自旋的狀態(tài)及其相互作用所決定的，而這些因素對超導電性的影響可以通過外部參數(shù)的改變，如施加壓力、磁場等進行調控。其中，壓力是一種“干凈”和有效的調控方法。它的獨特之處在于不用改變研究系統(tǒng)的化學構成就能實現(xiàn)對系統(tǒng)的電子結構和晶體結構及其相關合作現(xiàn)象的有效調控，從而揭示其內在的物理機制。中國科學院物理研究所趙忠賢院士領導的課題組與美國卡內基研究院地球物理實驗室毛和光院士領導的科研團隊合作，利用自行研制的高壓－低溫－磁場聯(lián)合測試系統(tǒng)對這類新型鐵基硫族化合物超導體進行了系統(tǒng)的高壓下原位電阻，交流磁化率研究。研究發(fā)現(xiàn)這類超導體的超導轉變溫度在壓力小于10GPa（1GPa＝1萬大氣壓）時隨著壓力的升高而逐漸降低，直至消失；而當壓力高于10GPa，系統(tǒng)出乎意料地進入了一個新的超導態(tài)。這個由壓力誘發(fā)的第二個超導相的超導轉變溫度高達48K，遠遠高于常壓及低壓下的第一個超導相的轉變溫度，是已有報導的鐵基硫族化合物超導體家族中超導轉變溫度最高的。在上海光源和美國阿貢同步輻射光源進行的原位高壓結構分析結果表明，在該研究所采用的壓力范圍內并未發(fā)生晶體結構的變化，該項研究所發(fā)現(xiàn)的同結構下由壓力調控的超導電性的消失和隨后的超導電性的再現(xiàn)現(xiàn)象在銅氧化物和鐵基高溫超導體中均未曾發(fā)現(xiàn)過，因此，這一結果不僅對理解這類新型鐵基硫族化合物超導體的超導機制和探索新的超導體提供了啟迪。同時，也為進一步開展高溫超導體超導機理的研究提出了新的研究內容。

日本的“希望之樹”

福島核電站被地震和海嘯損壞已近一年了。在本期特刊中，介紹日本受海嘯和地震損壞及輻射泄漏影響最嚴重的一些地方的重建情況。在日本和其他地方，福島的經驗促使人們對核電未來發(fā)展以及地震和海嘯的早期預警系統(tǒng)進行很多反思。

本期封面是一棵在地震海嘯中存活下來的松樹，被視為日本高田市的“希望之樹”。

“狄拉克點”的奧秘

某些固體的電子結構使它們表現(xiàn)出“狄拉克點”，這些點處在凝聚態(tài)物理學中很多有趣現(xiàn)象的核心。例如，在石墨烯中，它們使電子的行為就像“狄拉克費米子”一樣，能夠以光速運動。本期雜志介紹了控制“狄拉克費米子”性質的兩種非常不同的方法。在傳統(tǒng)固體中，材料的電子結構是無法改變的，所以難以看到“狄拉克費米子”的性質是怎樣被控制的。為了避免這種局限性，科學家們在一個可調節(jié)的蜂巢式光晶格中創(chuàng)建了一個由超冷量子氣體組成的可調系統(tǒng)。這個模型所模擬的是凝聚態(tài)物理學，其中原子扮演電子的角色。“狄拉克點”可被移動和合并，以研究拓撲絕緣體和石墨烯等奇異材料的物理學問題。本期封面所示為人造石墨烯的帶狀結構，其中的交叉點在兩個“狄拉克點”上。

等離子體去量子

本期封面所示為“ThroughtheLookingGlass”的一個細節(jié)內容，它是由KateNichols（TED Fellow計劃的一個資助對象）制作的一個大型玻璃藝術品，是用銀納米顆粒作為“顏料”創(chuàng)作出來的。作品的顏色來自金屬顆粒中電子的振蕩（局部化的表面“等離子體激元”的共振）。這些顆粒的“等離子體激元”性質，使它們對于各種成像、傳感和可再生能源技術來說很有吸引力。但那些小顆粒（直徑不到10納米）對很多自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)可能更有意義。在這個尺寸上，當它們接近量子領域時，我們關于它們的“等離子體激元”性質怎樣變化的知識變得相當模糊。JonathanScholl及其同事對尺寸在量子大小范疇內的單一銀納米顆粒的“等離子體激元”性質進行了研究。他們利用電子顯微鏡和光譜技術，在直徑從20納米到不到兩納米的范圍內將一個顆粒的“等離子體激元”共振與其大小和幾何形狀關聯(lián)了起來。他們的結果反映了小型金屬納米球的量子力學性質，對于具有催化活性和生物意義的納米顆粒有直接應用價值。

大腸桿菌谷氨酸：γ-氨基丁酸反向轉運蛋白的晶體結構及機制

2011年，歐洲爆發(fā)的腸溶血性大腸桿菌疫情導致數(shù)千人感染，多人死亡，并引起了極大的社會恐慌。大腸桿菌O104:H4菌株是這一疫情的罪魁禍首。1982年，大腸桿菌O157:H7菌株也曾引起一次世界性的疫情。食物來源的大腸桿菌必須通過極酸的胃環(huán)境才能到達腸道，為了保證在如此低的pH下仍然能夠存活，大腸桿菌進化出了多個抗酸系統(tǒng)來對抗極酸環(huán)境。因此研究大腸桿菌抗酸機制對人類健康有直接的重要意義。

大腸桿菌抗酸系統(tǒng)II (AcidResistancesystem2)通過谷氨酸:γ-氨基丁酸反向轉運蛋白(GadC) 將細胞外的谷氨酸轉運到細胞內，在胞漿內谷氨酸發(fā)生脫羧反應，消耗一個質子生成γ-氨基丁酸，而產物γ-氨基丁酸再被GadC轉運到細胞外。整個過程相當于向細胞外排出一個質子，降低了細胞內的質子濃度，從而起到了抗酸的作用。理解GadC的工作機理對于研究腸道致病菌抗酸系統(tǒng)十分關鍵。

清華大學生命科學學院施一公教授領導的研究組從GadC的三維空間結構信息入手，解析了大腸桿菌GadC高分辨率的晶體結構。結構分析表明，含有12個跨膜螺旋的GadC在堿性條件下呈現(xiàn)出轉運通道開口朝向胞內的構象。令人驚奇的是，GadC羧基端結構域在細胞內一側像塞子一樣將轉運通道封閉住。同時進一步的生化實驗表明，GadC對底物的轉運嚴格依賴于環(huán)境pH值：野生型GadC在pH小于6.5的環(huán)境下才具有轉運能力，而在pH大于6.5的環(huán)境中完全沒有活性。羧基端“塞子”結構域在GadC感受pH的過程中起到了重要的調節(jié)作用。這樣一種機制既保證了抗酸系統(tǒng)在極酸環(huán)境中能夠啟動并轉運底物，又防止其在正常生理條件下造成胞內質子不必要的外流。研究成果為進一步研究大腸桿菌抗酸機制提供了重要線索。

GadC結構示意圖。

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生態(tài)背景對疫情規(guī)模及寄生蟲驅動進化的影響

本期封面是兩只水蚤（Daphniadentifera），體長2毫米。其中左下方那只因為感染毒株酵母寄生蟲，導致體色呈明亮的白色。

人們認為疾病爆發(fā)的發(fā)生和規(guī)?？梢詫λ拗鞯倪M化產生強烈的影響。尤其是當面對抗性與生殖力權衡時，宿主在疾病大規(guī)模流行時可能進化出強抗性。科學家們利用環(huán)境因子決定疫情規(guī)模的浮游動物-酵母宿主寄生系統(tǒng)測試了上述理論預測結果。高生產力和低捕食壓力的湖泊中酵母疫情流行情況較嚴重。當疫情爆發(fā)時，宿主表現(xiàn)出較強的疾病傳染抗性。然而，在低生產力和高捕食壓力的環(huán)境下，疫情仍然較小，宿主進化出較高的疾病易感性。因此，通過疾病爆發(fā)模擬，生態(tài)背景（生產力和捕食）在疾病流行期可以改變宿主的進化。生產力和捕食的人為改變可能強烈影響疾病在生態(tài)和進化方面造成的后果。

硅-鍺復合材料：從單層到三維結構

本期封面是生長在硅支柱上的～8微米高的帶間隙的鍺晶體的錯色掃描電鏡突變。這種結構使不同材料整合到硅襯底上成為可能。由該項技術可以創(chuàng)造出適于不同應用的平臺，在太陽能電池、X射線/粒子探測器，電力電子器件等領域應用潛力巨大。

硅是微電子設備最基本材料，但硅的某些性能不能滿足微電子設備發(fā)展的要求。人們試圖將硅和鍺等其他半導體材料組合成新的復合材料，以獲得更好的性能。然而，現(xiàn)有硅焊接技術不但成本高，而且晶體網格內有瑕疵。目前，人們仍不能將單片鍺層集成在硅基質上。此外，熱應力下，硅晶片會變形，這會導致鍺層開裂，電子元件無法工作?？茖W家們發(fā)現(xiàn)將單體鍺制成“簇毛”狀結構可以解決上述問題，不需要特殊焊接技術就可以制造出任何厚度的無瑕的硅-鍺層。

植物UVR8光感受器感知UV-B

最新發(fā)現(xiàn)的植物UVR8（UV RESISTANCE LOCUS 8）光感受器可以感受紫外線并對基因表達作出相應的調節(jié)，可以改變植物生長和發(fā)育。然而，這種調節(jié)的機制卻不為人所知。最近，科學家們得到了UVR8單體點突變的晶體解析結構和遠紫外圓二色光譜，揭示了感知UV-B和信號誘導的機制。β-槳狀亞基形成與復雜鹽橋網絡結合在一起的以色氨酸為主體的二聚體界面。鹽橋精氨酸側翼與交叉二聚體色氨酸配對形成的“金字塔”結構負責UV-B感應。光感受可逆性地破壞鹽橋，觸發(fā)二聚體解離和信號啟動。色氨酸點突變?yōu)楸奖彼峥梢詫⒐馐荏w的感應波長變?yōu)閁V-C該項。研究闡明了不帶生色團的UVR8光感受器如何促進植物發(fā)育和保護植物免受陽光傷害。

擬南芥UVR8單體的結構圖。

建群者效應的持續(xù)作用

本期封面是一只成年雄性沙氏變色蜥（Anolissagrei），體長15厘米，棲息在頂部的樹枝上。棲息地植被的直徑是變色蜥肢體長度進化的強選擇力。這些生活在巴哈馬無人島上的蜥蜴由于隨機性和選擇性進程而表現(xiàn)出遺傳和形態(tài)上的顯著差異。

長期以來，建群者事件等隨機性進程對進化分歧的貢獻程度一直是進化生物學領域爭論的焦點。為了確定建群者效應和自然選擇的貢獻，科學家們從巴哈馬7個小島上沙氏變色蜥種群中隨機抽取若干對蜥蜴進行實驗。盡管所有種群均向著可預測的方向進化，小島上矮小植被促使后肢變短，但是建群事件仍然在島間不同種群中產生了顯著的遺傳和形態(tài)差異。利用自然環(huán)境中重復實驗，研究發(fā)現(xiàn)建群者效應和自然選擇共同決定了種群特征。

福島核電站事故一周年

本期封面是2010年8月拍攝的日本福島第一核電站鈾钚混合氧化物燃料棒冷卻池的照片。2011年3月11日，海嘯損壞了福島第一核電站的三座反應堆。這促使日本政府對其依賴核電的方針和災難應急處理進行重新評估。

那場襲擊日本東北海岸的毀滅性地震和海嘯已經過去了一年，世界各國科學家們仍在從不同角度分析這場災難。日本正從災難中吸取教訓，不僅有助于重建正確決策，而且對于國家未來能源發(fā)展規(guī)劃具有重要參考價值。

在日本東北部9級大地震和隨后海嘯發(fā)生之后的一年里，日本一流的工程、地震學、城市規(guī)劃、應急響應和經濟學專家正全力投入數(shù)十個被毀壞村莊重建的基礎準備工作。他們希望通過破壞模式研究和模擬，制定更合理的疏散計劃，幫助日本東北部沿海地區(qū)居住的人們更好的抵御未來的特大海嘯。然而，正當設計者嘗試著將構建安全城市的夢想變成真實的重建計劃時，人們發(fā)現(xiàn)自然力量是不可抗拒的，建造抵擋千年一遇海嘯的海堤的設想是不切實際的。城市重建中，使人們生活更安全的措施，如將人們轉移到地勢高的地方居住，遭遇到了巨大的運輸和政治問題。隨著時間一天一天的過去，計劃返回家鄉(xiāng)的居民越來越少，災區(qū)經濟回復也越來越難。

導致反應堆堆芯熔化的核事故會產生數(shù)百種放射性核素，這些核素大部分的半衰期很短。損壞燃料棒中的長壽命裂變產物和超級鈾元素的影響能持續(xù)千年。目前，核事故發(fā)生后，尤其是與水接觸后，對放射性核素釋放率的預測仍然是有限的。人們對核事故發(fā)生時和隨后的極端化學、輻射和熱條件下的燃料腐蝕和放射性核素釋放的了解相對較少。

2011年5月8日由東京電力公司發(fā)布的福島第一核電站第4號機組燃料池狀態(tài)的視頻中提取的圖片。這些由水下機器人獲得的圖像，顯示燃料組件和冷卻池中碎片。