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【MBAChina網(wǎng)訊】航院李曉雁副教授課題組在力學結構超材料研究取得重要進展

環(huán)境學院直博生發(fā)文揭示中國工業(yè)園區(qū)碳排放情況及減排潛力

材料學院朱宏偉教授課題組在多功能石墨烯宏觀組裝體研究方面取得新進展

材料學院伍暉副教授課題組在熔融鋰金屬電池研究方面取得新進展

化工系生物育種技術與裝備團隊在《自然·通訊》發(fā)表文章

清華-伯克利深圳學院成會明、劉碧錄團隊發(fā)表綜述文章系統(tǒng)分析各類剝離制備二維材料的方法

航院李曉雁副教授課題組在力學結構超材料研究取得重要進展

清華大學航天航空學院李曉雁課題組，與中國科學院金屬所、美國布朗大學以及大連理工大學合作，在《納米快報》

三維微納米點陣材料具有優(yōu)異的力學性能，如低密度、高剛度等。但是，現(xiàn)有的微納米點陣材料的強度與可恢復性之間存在著相互約束，即高強度的點陣材料通常表現(xiàn)為脆性，而可恢復性能好的點陣材料的強度較低。這一強度與可恢復性的制約在很大程度上限制了微納米點陣材料在能量存儲和機械致動等領域的應用潛力。

復合納米點陣材料克服了傳統(tǒng)微納米點陣材料的強度與可恢復性之間的相互制約

李曉雁課題組提出了一種基于復合材料的設計方案，解決上述難題。該設計方案首先采用了先進的納米尺度增材制造技術（三維雙光子光刻激光直寫）直接打印高彈性聚合物材料組成的納米點陣結構（最小特征尺寸約為260nm），然后通過磁控濺射手段將具有高強度的高熵合金材料均勻鍍層在聚合物骨架的表面（厚度僅為14.2-126.1nm），從而實現(xiàn)了“1+1>2”的優(yōu)異力學性能。該納米點陣不僅保有聚合物材料的高彈性和良好的可恢復性，而且由于高熵合金納米鍍膜的存在，使得該納米點陣兼具高強度的優(yōu)點，從而使得該復合納米點陣材料克服了早先微納米點陣材料具有的強度與可恢復性之間相互制約的問題。

（a-h）復合納米點陣材料的原位電鏡壓縮實驗；

（i,j）復合納米點陣材料的比強度、單位體積能量吸收與其他微納米多孔材料的比較

在論文中，研究團隊首先展示了該復合納米點陣材料的制備和微結構及其力學性能表征。通過原位掃描電鏡壓縮實驗證實了復合納米點陣材料同時具有高的強度和良好的可恢復性。該納米點陣結構的比強度高達0.027MPa/kg·m，最大壓縮應變超過50%仍然可以實現(xiàn)幾乎完全恢復，且單位體積能量吸收高達4.0MJ/m

近年來，李曉雁副教授研究團隊主要從事新型微納米結構材料力學行為和力學性能的研究，在相關領域取得了多項重要的成果。相關工作發(fā)表在《自然材料》

清華大學航院李曉雁副教授、中科院金屬所姚佳昊副研究員、李毅研究員和美國布朗大學高華健教授為本文的共同通訊作者。清華大學航院2013級博士生張璇為本文第一作者。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01241

環(huán)境學院發(fā)文揭示中國工業(yè)園區(qū)碳排放情況及減排潛力

7月3日，清華大學環(huán)境學院2014級直博生郭揚以第一作者身份在國際環(huán)境科學領域頂級期刊《環(huán)境科學與技術》

工業(yè)園區(qū)建設是我國改革開放的一項重大創(chuàng)舉，經(jīng)歷近40年的發(fā)展，已成為我國工業(yè)化和城市化發(fā)展的重要支撐。目前，全國共有國家級和省級工業(yè)園區(qū)2500余家，貢獻了全國一半以上的工業(yè)產(chǎn)值。為應對氣候變化，我國承諾在2030年左右達到碳排放峰值。我國高度重視工業(yè)園區(qū)的低碳發(fā)展，在《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》中提出部分園區(qū)率先達到碳排放峰值。

圖1 工業(yè)園區(qū)碳排放及減排潛力

本研究基于生命周期視角，定量揭示了我國200余家國家級工業(yè)園區(qū)的碳排放特征，涵蓋了燃料燃燒導致的直接排放和能源生產(chǎn)相關的間接排放，并進一步量化了園區(qū)能源消費升級的碳減排潛力。研究發(fā)現(xiàn)，這200余家園區(qū)在2015年貢獻了全國GDP的11%和能源消費總量的10%，其直接和間接碳排放分別達10.4億噸和1.8億噸二氧化碳當量，二者約占全國碳排放總量的11%。通過優(yōu)化能源消費，這200余家園區(qū)在2030年的碳減排潛力為1.1億噸二氧化碳當量，其中提升天然氣消費占比、降低電網(wǎng)碳排放因子和改善工業(yè)燃煤鍋爐效率為最顯著的減排措施。本研究可為工業(yè)園區(qū)的能源結構優(yōu)化、能源基礎設施升級和溫室氣體減排等管理決策問題提供科學依據(jù)。

圖2 工業(yè)園區(qū)碳排放空間分布

清華大學環(huán)境學院清潔生產(chǎn)與生態(tài)工業(yè)研究中心長期致力于中國工業(yè)園區(qū)綠色發(fā)展研究，在園區(qū)物質(zhì)能量代謝調(diào)控、資源環(huán)境效率提升及綠色發(fā)展系統(tǒng)優(yōu)化等方面開展了長期深入的研究和實踐。

清華大學環(huán)境學院田金平副研究員為本文通訊作者，環(huán)境學院陳呂軍教授和科研助理臧娜、高洋三人為本文合作作者。本文第一作者郭揚主要研究工業(yè)園區(qū)溫室氣體減排，已在《環(huán)境科學與技術》發(fā)表論文3篇。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.8b00537

材料學院朱宏偉教授課題組在多功能石墨烯宏觀組裝體研究方面取得新進展

7月3日，清華大學材料學院朱宏偉教授課題組在《先進材料》

石墨烯是一種具有優(yōu)異力學、電學、熱學和光學性能的二維碳材料。石墨烯的高效制備及宏觀組裝對其規(guī)模應用具有重要意義。目前，石墨烯宏觀組裝體的常規(guī)制備方法需要嚴格的反應條件，且一旦成形后，不可再被重塑或回收。因此，在需要復雜形狀石墨烯結構與器件的應用場合，可任意塑性的石墨烯宏觀體尤為重要。

為解決上述問題，朱宏偉教授課題組將具有豐富官能團的氧化石墨烯加入仿生礦化凝膠體系，形成氧化石墨烯、無定形碳酸鈣納米粒子、聚丙烯酸交聯(lián)網(wǎng)絡結構（如圖）。該復合材料在濕潤狀態(tài)下具有柔性、延展性及可拉伸性，可實現(xiàn)復雜造型。在干燥條件下保持原有造型，具有高強度、韌性及硬度。通過水分控制實現(xiàn)了兩種狀態(tài)的可逆轉變。此外，該復合材料具有極佳的重塑性和自愈合能力，可進一步修飾或加工以滿足各種特定的應用需求（如能源儲存、促動器、傳感器）。該方法具有簡便、高效、低成本等特點，可推廣至其它材料的靈活組裝。

氧化石墨烯宏觀組裝體的形成機理及造型展示

近年來，朱宏偉教授研究團隊專注于低維材料的可控制備、性能表征及應用技術開發(fā)，在結構設計、柔性器件、環(huán)境/能源等領域取得了多項重要成果。相關工作發(fā)表在《化學學會評論》

本文第一作者為清華大學材料學院2014級博士生林舒媛，通訊作者為朱宏偉教授和日本東京工業(yè)大學芹澤武教授。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803004

材料學院伍暉副教授課題組在熔融鋰金屬電池研究方面取得新進展

7月2日，清華大學材料學院伍暉副教授課題組與斯坦福大學合作，在《自然能源》Li

隨著風能、太陽能等間歇性可再生能源的大規(guī)模應用與智能電網(wǎng)的發(fā)展，大規(guī)模儲能系統(tǒng)的研究得到了越來越多的關注?？沙潆婋姵鼐哂心芰啃矢?，成本可控，不受地形空間限制等優(yōu)點，應用于儲能領域具有較大的潛力。儲能電池需要滿足高功率、高安全性、長壽命和低成本等要求，新一代儲能電池的開發(fā)，一直是電池研究領域的熱點。LME電池是大規(guī)模儲能電池的候選方案，在這一類電池體系中，如何降低電池的工作溫度、減少電池的成本、提高電池的可靠性和安全性，是LME電池發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。

為解決上述問題，伍暉副教授課題組與美國斯坦福大學崔屹教授課題組合作，將固態(tài)電解質(zhì)引入LME電池（如圖），取代傳統(tǒng)的熔融鹽電解質(zhì)（通常需要300℃以上的運行溫度），將LME電池的運行溫度降低至240℃。LLZTO固態(tài)電解質(zhì)在240℃工作時具有遠高于室溫條件下的離子電導率，可以實現(xiàn)在大電流密度下的充放電，且可以有效抑制電池自放電和副反應，提升電池的庫倫效率。這種新型電池系統(tǒng)未來有望在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中得以應用。

基于固態(tài)電解質(zhì)的熔融鋰電池的示意圖

近年來，伍暉副教授研究團隊專注于功能材料的制備及其在能源存儲、柔性電子和環(huán)境等領域的研究與開發(fā)，在相關領域取得了多項重要成果。相關工作發(fā)表在《自然能源》

清華大學材料學院伍暉副教授和美國斯坦福大學崔屹教授為本文的通訊作者。清華大學材料學院訪問學生金陽和材料學院2013級博士生劉凱為本文的共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41560-018-0198-9

化工系生物育種技術與裝備團隊在《自然·通訊》發(fā)表文章

6月26日，清華大學化工系生物育種技術與裝備團隊在《自然·通訊》（

經(jīng)過工程化改造的細菌免疫CRISPR系統(tǒng)（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）已經(jīng)發(fā)展成為具有廣泛應用的基因組編輯工具。近年來，科學家逐漸展示了其在高通量基因功能篩選方面的應用潛力：首先對待篩編碼基因進行敲除或敲低，并以細胞生長或特定標記作為一個表型指標，將靶定待研究表型相關基因的單導向RNA(sgRNA)文庫富集出來，并利用高通量測序技術定量每個基因的功能。目前這一策略主要被用來進行高等真核生物的高通量功能基因組學研究。由于細菌和高等真核生物基因組的系統(tǒng)性結構差異，在細菌中使用這種方法的高通量功能篩選尚未見報道。在這項最新研究工作中，清華大學研究團隊構建了大腸桿菌全基因組范圍的sgRNA文庫，結合CRISPRi基因敲低技術，對于這一模式微生物的一系列重要基因組學問題開展了大規(guī)模研究。

利用合成sgRNA文庫和CRISPRi基因敲低技術進行高通量細菌功能基因組學研究

研究團隊首先證明了這一方法可以有效地鑒定出大腸桿菌的已知必需基因，同時也對必需基因篩選結果中和已知數(shù)據(jù)庫不吻合的部分基因進行了進一步實驗驗證，更新了對于該模式微生物必需基因的認識。此外，他們還發(fā)現(xiàn)該方法可以有效地研究細菌中RNA編碼基因的功能。盡管這類基因近年來被發(fā)現(xiàn)廣泛的參與細菌的重要生物學過程，但是由于傳統(tǒng)細菌高通量遺傳分析方法本身的局限，這類基因受到了普遍的忽視。有趣的是，利用該方法繪制的轉運RNA（tRNA）必需性圖譜，研究團隊發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌中有六個非必需的tRNA編碼基因，且不同于tRNA普遍的多拷貝特性，這六個tRNA編碼基因都以單拷貝形式存在于大腸桿菌基因組中。

新型CRISPRi混合篩選鑒定細菌RNA編碼基因功能

利用隨機轉座子插入文庫的混合篩查（Tn-seq）是目前應用最為廣泛的高通量細菌系統(tǒng)遺傳分析手段。研究團隊以已知必需基因為標準，系統(tǒng)分析了新建立的CRISPRi敲低篩選方法相比于轉座子測序的性能優(yōu)劣。結果表明，在類似文庫規(guī)模條件下，CRISPRi敲低篩選方法相比于隨機轉座子插入文庫的混合篩查方法，能夠以更低的假陽性率捕獲更多的已知必需基因，且編碼區(qū)域長度越短這一優(yōu)勢越為明顯。

研究團隊還以氨基酸代謝為例，通過同工酶功能、色氨酸途徑環(huán)境響應等案例展示了本研究建立的CRISPRi方法定量解析微生物代謝網(wǎng)絡結構的能力。同時，通過對于大腸桿菌全基因組范圍內(nèi)對于糠醛和異丁醇耐受性圖譜的定量分析，發(fā)現(xiàn)了諸多已知和未知的耐受性基因位點，為菌株的工程化改造提供了基礎。

該工作第一次報道了利用CRISPRi方法結合高通量混合篩選和測序對于細菌的功能基因組學進行研究，并通過對于結果的系統(tǒng)分析提出了適用于細菌基因組結構的sgRNA文庫設計原則。值得一提的是，為了方便廣大研究者使用這一方法，研究團隊還開發(fā)了軟件工具，可以一站式的進行sgRNA文庫的設計和篩選后的測序數(shù)據(jù)分析。

化工系張翀副教授為本文通訊作者，生物育種技術與裝備團隊首席邢新會教授，信息國家研究中心、自動化系謝震研究員為本文共同作者，他們同時為清華大學合成與系統(tǒng)生物學研究中心核心成員。清華大學化工系博士生王天民、關長閣為本文的共同第一作者。北京合生基因科技有限公司劉兵亦對此文給予了一定的幫助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04899-x

清華-伯克利深圳學院成會明、劉碧錄團隊發(fā)表綜述文章系統(tǒng)分析各類剝離制備二維材料的方法

6月17日，清華-伯克利深圳學院成會明、劉碧錄團隊在英國皇家化學學會旗下的《化學學會評論》（

二維材料相關研究近年來呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長趨勢，這使得插層和剝離具有層狀結構的塊體材料以制備二維材料成為研究熱點。相比于自下而上的制備方法，通過塊體層狀材料的剝離制備二維材料及其分散液的方法具有成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)和與溶液加工兼容的優(yōu)勢?；谶@種自上而下剝離的方法制備的二維材料及其分散液具有廣闊的應用前景，包括電子、光電子、能源轉換和儲存、界面功能涂層等。

二維材料分散液的制備、組裝及其在各類器件中的應用

在過去幾年中，自上而下剝離塊體層狀材料制備二維材料分散液研究取得了迅速的發(fā)展。然而，要實現(xiàn)二維材料分散液在各領域的實際應用，仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。有鑒于此，文章提出了以下幾點該領域可能的重要研究方向和機遇：(1) 大規(guī)模制備二維材料的方法；(2) 獨特二維材料的剝離；(3) 剝離制備的二維材料的異質(zhì)結組裝；(4) 非石墨烯二維材料的宏觀體組裝；(5) 二維材料用作模型電催化劑；(6) 金屬性二維材料在能源轉換和儲存中的應用；(7) 應用導向二維材料的合理選擇和剝離。

圖1. 剝離層狀材料制備二維材料的方法總結

圖2. 二維材料分散液組裝薄膜的方法總結

圖3. 二維材料電催化劑的重要性及提升催化性能的策略

該綜述文章共同第一作者是清華-伯克利深圳學院（TBSI）博士后蔡興科、2017級博士生羅雨婷，文章通訊作者為成會明院士和劉碧錄研究員。

《化學學會評論》是英國皇家化學會的綜述期刊（影響因子：38.618），與美國化學會的《化學評論》（

論文鏈接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs/c8cs00254a#!divAbstract

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