近期科研成果选编（第13期）
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全光激发实现氪-81的单原子探测
我们身边有一种微量的惰性气体叫氪，它在空气中的含量为百万分之一。氪由多种同位素组成，包括一种半衰期为23万年的放射性同位素氪-81，在空气中的含量仅为百亿亿分之一。自从上世纪60年代在空气中发现氪-81以来，科研人员一直梦想着用氪-81这个天然示踪剂来帮助了解环境中的水、冰循环过程，给百万年老的古地下水与冰川定年。
中国科学技术大学教授卢征天及其同事Florian Ritterbusch博士发明了一种称为“原子阱痕量分析”的单原子灵敏检测方法，可以一个一个地数出环境样品中所含的氪-81原子。用原子阱捕获氪-81需要首先将原子激发到一个亚稳量子态上。目前国际上均采用气体放电方法来制备亚稳态氪原子，方法简单可行，然而存在着激发效率低、样品损失和交叉污染等问题。在本工作中，科研组研制成一种高亮度共振真空紫外灯，并将其应用于全光激发氪原子，从而避免了气体放电所带来的种种问题。团队提出了一种新的机理来解释真空紫外光子在氪气中传播时的“自吸收”现象——光子在氪气中多次散射后并未损失，而是其频率发生了偏移。经过四年的不断尝试，他们在保持光源高亮度特征的同时，减小了光频偏移，建成了基于全光激发的氪原子阱，并达到了每小时1800个氪-81原子的探测速率。对于古地下水研究和寻找百万年前形成的冰芯等科学问题，这种原子阱超灵敏分析工具带来了新的研究机遇。
论文链接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.023201
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小尺度磁重联统计研究获进展
磁重联是改变宇宙等离子体中磁场拓扑结构的重要机制，提供了磁能转化成热能和动能的有效方法。尽管磁重联通常被认为与太阳耀斑和日冕物质抛射等太阳爆发活动直接相关，但是磁重联较难被观测并认证。以往关于磁重联的研究集中在对单一事件的分析，而关于磁重联的统计研究尚未被报道。
中国科学院云南天文台抚仙湖太阳观测与研究基地研究人员首次对小尺度磁重联进行了统计研究。研究人员充分挖掘了云南天文台抚仙湖太阳观测与研究基地一米新真空太阳望远镜（NVST）在2012年至2020年期间观测的高分辨数据，统计分析了六个小尺度磁重联事件，并计算了每个磁重联事件的物理参量，包括磁重联入流和出流速度、磁分界面喷流速度、电流片长度和宽度、磁分界面张角等。
研究发现，磁分界面张角不依赖于磁重联入流速度，而与初始磁场位型结构相关；磁重联出流速度和磁分界面喷流速度均和入流速度有高度的正相关性，电流片的长度也和入流速度正相关，而其厚度则和入流速度负相关。此外，当磁分界面张角接近90度时，磁重联出流和磁分界面喷流均具有最大的速度。上述统计结果与理论模型和数值模拟结果高度一致。
论文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abfb71
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沙子的统计物理
颗粒物质在我们生活中无处不在，沙子、糖和咖啡粉是我们身边常见的几个例子。对于颗粒物质的本质我们迄今没有理解。颗粒物质前期工程应用中主要利用缺乏微观机制的经验本构理论或者数值模拟来开展研究，其中离散元模拟方法需要对体系中所有粒子进行追踪计算。物理学家试图建立颗粒体系的统计物理框架，进而可以利用统计物理的研究方法来研究颗粒多体体系。但颗粒物质属于非平衡态多体系统，无法用经典的平衡态统计物理描述。上世纪90年代，剑桥大学S. F. Edwards教授及合作者提出了颗粒物质的统计力学系综框架，成为相关领域的长期以来的研究热点。
中国上海交通大学的王宇杰和合作者开展了验证Edwards统计物理框架的相关研究，他们利用3D打印机制备了三种具有不同摩擦系数的球形颗粒样本，进而利用CT成像技术研究了它们在不同振动强度下的稳态堆积结构。实验结果证实了体积系综框架适用于颗粒物质，给出了颗粒温度、熵等计算结果；验证了颗粒温度满足热力学第零定律；并且澄清了摩擦通过改变力学稳定堆积的态密度进而影响颗粒物质统计力学的机制。该实验工作对Edwards统计物理框架的验证，对于改变现有的DEM模拟需要对每个粒子进行计算的研究模式，建立基于微观过程统计平均而不是纯经验的颗粒宏观连续介质力学具有非常重要的意义。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.018002
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GapClust方法发现稀有细胞群体
区别于传统组织水平的转录组分析，单细胞分析技术极大地提高了生命医学领域的研究精度，可以帮助科研人员从细胞水平对生物体的发育及疾病进展深入探索。目前单细胞转录组数据的分析流程已经比较成熟，能够较好的发现其中主要的细胞类型并进行后续标志物的筛选。但是对于组织中数量较小的稀有细胞类型比如干细胞等，常规分析流程无法做到准确识别以及后续分析。
为此，上海交通大学生命科学技术学院俞章盛团队开发了一款全新的方法GapClust来实现单细胞转录组中稀有细胞类型的准确识别。该方法基于稀有细胞群体与周围细胞类群之间存在的相对较大距离（Gap）所引发的稀有细胞群体与周围近邻细胞距离的骤然变化设计二阶导导数类似统计量来捕捉稀有细胞群体。多个模拟实验结果表明GapClust方法相比于已有方法在准确性、敏感性以及计算效率等方面有了显著提升。因此，该方法可以作为探索复杂疾病组织中稀有细胞群体的有力工具。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24489-8#Abs1
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静电调控实现柔性微型机器人高机动性
柔性微型机器人具有优良的环境适应性、行动隐蔽性和可集群化作业的特点，在灾后搜救、环境监测、侦察监听等隐蔽狭小空间作业场合具有极大的应用潜力。但是，由于柔性材料具有低刚度、易变形的特点，柔性执行机构普遍存在着驱动能力弱、运动精度差的问题，给柔性机器人的灵活运动和精确控制带来挑战。
近日，清华大学深圳国际研究生院先进制造学部张旻、王晓浩团队和美国加州大学伯克利分校林立伟团队合作，在前期柔性机器人压电谐振高效驱动结构的研究基础上，提出了利用静电调控摩擦力实现柔性微型机器人高速转向控制的方法。机器人全长30mm，由柔性单晶压电结构驱动，通过在机器人足部添加静电足垫和机器人4自由度模型设计优化，进行驱动与静电吸附协同控制，实现了482º/s的转向速度和28身长/s2的转向加速度，达到了已报道微型机器人的最高转向速度，与蟑螂等陆地节肢动物相当。此外，机器人可在5.6秒内通过总长1.2m的迷宫路径。在此基础上，为了摆脱电缆的束缚，通过优化负载结构，机器人进一步实现了无缆独立运动。通过携带的控制电路、电池、传感器等，实现了自动寻迹和轨迹控制。
论文链接：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe7906.full
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胞糖基化酶介导的DNA损伤修复新机制
hNEIL1是碱基切除修复途径中一个关键的DNA糖基化酶，它可以修复十多种结构迥异的DNA碱基损伤。遗憾的是，人们对hNEIL1的底物识别机制还所知甚少，尤其是hNEIL1如何特异性识别这些不同类型的底物，同时却又能避免细胞内大量存在的正常DNA被错误切除。
北京大学生命科学学院、北大—清华生命科学联合中心伊成器教授团队与北京大学化学与分子工程学院高毅勤教授团队利用活性位点突变和底物修饰两种策略，鉴定到一种全新的hNEIL1-DNA作用模式。在该模式下，hNEIL1蛋白无法发挥糖基化酶活性行使催化功能，因而底物能够被临时地保护起来。分子动力学模拟对酶-底物结构动态的分析表明，hNEIL1能够依靠两种竞争性构象的相互转变来感知底物的类型。本研究综合利用结构生物学、生物化学及计算化学等多重手段，系统诠释了DNA糖基化酶中存在的一种全新的损伤修复机制。由于hNEIL1蛋白的功能异常与包括癌症在内的多种疾病密切相关，这项研究有望在未来助力相关小分子药物的开发。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24431-y
