一周前沿科技盘点科学家用飞秒激光改写半导体材料基因

　　电子能带结构好比低维量子材料的＂DNA＂，我国科学家通过飞秒激光技术改写材料＂DNA＂，进而＂拿捏＂材料的不同属性；鱼刺卡喉的经历相信大多数人都体验过，为了帮助食客们大快朵颐，科学家利用最新基因技术，成功培育出一种完全没有肌间刺的异育银鲫突变体；爱美之心人皆有之，然而皮肤创伤在所难免。现在，患者只需多花几美元，即可享受最新黑科技，提升重塑期新生皮肤愈合质量……基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第三十一期。
　　1  《Nature》｜飞秒激光改写半导体材料＂基因＂
　　半导体材料弗洛凯能带调控示意图
　　在非平衡态超快动力学和瞬时物态调控研究中，一个备受关注的重要研究方向是通过周期振荡的势场诱导量子物态的变化，进而实现对其电子结构的调控，该方案被称为弗洛凯工程。
　　清华大学物理系周树云研究组多年来致力于低维量子材料的电子能谱和非平衡态超快动力学的研究，尤其是弗洛凯能带及物态调控的实验研究。他们针对领域难点投入了大量的精力，攻克了中红外强场脉冲激发光源以及与角分辨光电子能谱仪结合方面的困难，研制出具有前沿技术指标的超快时间分辨角分辨光电子能谱系统。
　　在材料体系方面，他们巧妙地选取了黑磷这个具有小带隙、高迁移率的经典半导体材料。通过精细调节中红外激发光源的光子能量，他们发现当光子能量与带隙接近共振时，黑磷的电子结构从平衡态的抛物线形状演化为在带顶打开能隙的＂墨西哥帽＂形状，并观察到了复制的弗洛凯边带。
　　＂我们研究的电子能带结构可以通俗地理解成这些材料的‘DNA’，它决定了材料的各种属性。＂该工作的主要参与者之一、清华大学＂水木学者＂鲍昌华解释道，＂而我们所做的就是利用飞秒激光来调控这些材料的‘DNA’，从而获得我们想要得到的一些性质。＂
　　2  《Science》｜全球野火天气反馈机制研究取得重大进展
　　全球典型区域野火强度的天气尺度变率及关键气象要素演变规律
　　南京大学大气科学学院丁爱军教授团队最新研究发现，野火不仅受气象条件影响，而且其所排放气溶胶的辐射效应也可改变气象要素，由此产生天气尺度的正反馈机制显著增强全球不同沿海地区的极端野火事件。
　　该研究团队通过分析过去20年全球不同野火燃烧区的卫星观测数据，发现美国西岸和东南亚的中南半岛地区的野火燃烧面积存在着显著的天气尺度变化，并分别在1周和2周时间尺度频谱最强，前者受风速和湿度控制，而后者则主要受降雨调制。
　　研究发现，在美国西部的地中海气候区，野火排放的烟羽可增加气溶胶光学厚度，通过气溶胶-辐射-边界层相互作用增强局地热力环流，产生更多的干热山风，由此引起野火区风速的增大、湿度的减小和大火潜势的上升，从而显著增强野火气溶胶的排放并导致峡谷城市空气质量的急剧恶化。然而，位于亚洲季风区的中南半岛则有所不同，中南半岛地区野火燃烧烟羽可被抬升至高空后沿着我国南部沿海传输上千公里，并伴有复杂的云与降水过程以及大尺度环流的参与，故而该地区野火天气反馈的时间尺度较北美西岸则相对更长。
　　3  《Science》｜我国科学家取得柔性可拉伸封装技术领域原创性成果
　　液态金属与其他材料的性能对比：（A）金属、弹性体、液态金属的可拉伸性能和气密性能对比示意图；（B）各类封装材料杨氏模量与氧透过系数对比图。红色数据点为本研究测得的液态金属密封材料的数据。
　　高性能密封材料对于保障柔性器件的长期稳定运行至关重要。然而，目前已有的封装材料无法同时兼顾密封性能与可拉伸性能。
　　针对这一挑战，上海交通大学邓涛教授和尚文副研究员课题组与其合作团队历经3年多的合作努力，设计制备了基于液态金属的复合封装材料，通过将常见液态金属镓铟共晶合金与弹性体材料复合，并巧妙地利用微米玻璃球阵列作为支撑体防止该封装材料在变形过程中塌陷而引起密封性能的衰减，开发了一种高气密性、可拉伸、能集成无线通讯功能的封装材料，测得其氧透过系数为5.0×10-23 m2/(s Pa)，接近于金属铝，比传统硅胶弹性体材料低8个数量级以上。
　　针对液态金属材料因自身具有电磁屏蔽效应而会限制封装器件与外界的无线通信的功能这一问题，研究团队进一步提出了分隔式结构设计，通过在液态金属封装系统中引入电磁波信号传输窗口，赋予了封装系统可无线通讯的功能。
　　4  《Aquaculture》｜水生所创制出无肌间刺银鲫突变体
　　银鲫Cgrunx2b-A和Cgrunx2b-B突变体的肌间刺表型和基因型
　　异育银鲫以其肉质细嫩鲜美深受消费者青睐，但其体内具有的80多根细小的肌间刺给食用者带来了不少麻烦。
　　中国科学院水生生物研究所桂建芳院士团队经全基因组解析揭示了银鲫为双三倍体，并由此开拓完善了在双三倍体银鲫和双二倍体金鱼中通过基因编辑快速创制关键基因突变体的方法。基于这些突破，桂建芳团队华中农业大学教授高泽霞合作，经一年多努力，在双三倍体银鲫中创制出无肌间刺突变体的新种质。
　　研究团队发现双三倍体银鲫runx2b具有两个部分同源基因：Cgrunx2b-A和Cgrunx2b-B，且每个部分同源基因具有3个序列高度一致的等位基因。他们进一步追踪了肌间刺的骨化过程，发现肌间刺在孵化后14天左右开始从鱼体尾部朝头部骨化，单独敲除CgRunx2b-A或CgRunx2b-B不影响银鲫肌间刺发育，但同时敲除CgRunx2b-A和CgRunx2b-B的所有等位基因会导致肌间刺完全缺失。上述研究已获得291尾完全缺失肌间刺的银鲫突变体。
　　5  《Advanced Materials》｜自供电敷料重塑伤口内源性电场促进创面修复
　　EGD对大面积皮肤全层缺损创面的作用及机制
　　负压创面治疗技术（NPWT）是控制急/慢性创面感染的核心技术；但有研究发现，传统NPWT使创缘电解质持续流失，导致创面内源性电场衰降，不利于创面再上皮化。
　　鉴于此，中科院北京纳米能源与系统研究所李舟、罗聃研究团队及其合作者，将摩擦纳米发电机（TENG）与NPWT相结合，开发出一种基于自供电敷料（EGD）的电场耦合负压一体化治疗新技术。在EGD治疗系统中，间歇负压带来的敷料机械形变驱动TENG产生高压/低电流特性脉冲电，为创面提供稳定和安全的补偿电势，不仅抵消NPWT的副作用，而且重塑和增强创面内源性电场。
　　EGD产生的电场诱发表皮细胞强大的趋电性迁移反应，并且促进巨噬细胞向M2表型转化；采用急/慢性皮肤创面模型证实，EGD显著抑制炎症反应，促使创面更早地进入增殖期；通过诱导表皮细胞增殖和定向迁移，加速创面再上皮化；通过重建有序的细胞外基质和成熟的上皮微结构，提升重塑期新生皮肤愈合质量。
　　更重要的是，将NPWT升级为EGD的费用仅为6.78美元，这使得患者通过可负担的支出可获得更好的预后。