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1 全光激發實現氪-81的單原子探測
我們身邊有一種微量的惰性氣體叫氪，它在空氣中的含量為百萬分之一。氪由多種同位素組成，包括一種半衰期為23萬年的放射性同位素氪-81，在空氣中的含量僅為百億億分之一。自從上世紀60年代在空氣中發現氪-81以來，科研人員一直夢想著用氪-81這個天然示蹤劑來幫助瞭解環境中的水、冰迴圈過程，給百萬年老的古地下水與冰川定年。
中國科學技術大學教授盧徵天及其同事Florian Ritterbusch博士發明了一種稱為“原子阱痕量分析”的單原子靈敏檢測方法，可以一個一個地數出環境樣品中所含的氪-81原子。用原子阱捕獲氪-81需要首先將原子激發到一個亞穩量子態上。目前國際上均採用氣體放電方法來製備亞穩態氪原子，方法簡單可行，然而存在著激發效率低、樣品損失和交叉汙染等問題。在本工作中，科研組研製成一種高亮度共振真空紫外燈，並將其應用於全光激發氪原子，從而避免了氣體放電所帶來的種種問題。團隊提出了一種新的機理來解釋真空紫外光子在氪氣中傳播時的“自吸收”現象——光子在氪氣中多次散射後並未損失，而是其頻率發生了偏移。經過四年的不斷嘗試，他們在保持光源高亮度特徵的同時，減小了光頻偏移，建成了基於全光激發的氪原子阱，並達到了每小時1800個氪-81原子的探測速率。對於古地下水研究和尋找百萬年前形成的冰芯等科學問題，這種原子阱超靈敏分析工具帶來了新的研究機遇。
論文連結：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.023201
2 小尺度磁重聯統計研究獲進展
磁重聯是改變宇宙等離子體中磁場拓撲結構的重要機制，提供了磁能轉化成熱能和動能的有效方法。儘管磁重聯通常被認為與太陽耀斑和日冕物質拋射等太陽爆發活動直接相關，但是磁重聯較難被觀測並認證。以往關於磁重聯的研究集中在對單一事件的分析，而關於磁重聯的統計研究尚未被報道。
中國科學院雲南天文臺撫仙湖太陽觀測與研究基地研究人員首次對小尺度磁重聯進行了統計研究。研究人員充分挖掘了雲南天文臺撫仙湖太陽觀測與研究基地一米新真空太陽望遠鏡（NVST）在2012年至2020年期間觀測的高分辨資料，統計分析了六個小尺度磁重聯事件，並計算了每個磁重聯事件的物理參量，包括磁重聯入流和出流速度、磁分介面噴流速度、電流片長度和寬度、磁分介面張角等。
研究發現，磁分介面張角不依賴於磁重聯入流速度，而與初始磁場位型結構相關；磁重聯出流速度和磁分介面噴流速度均和入流速度有高度的正相關性，電流片的長度也和入流速度正相關，而其厚度則和入流速度負相關。此外，當磁分介面張角接近90度時，磁重聯出流和磁分介面噴流均具有最大的速度。上述統計結果與理論模型和數值模擬結果高度一致。
論文連結：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abfb71
3 沙子的統計物理
顆粒物質在我們生活中無處不在，沙子、糖和咖啡粉是我們身邊常見的幾個例子。對於顆粒物質的本質我們迄今沒有理解。顆粒物質前期工程應用中主要利用缺乏微觀機制的經驗本構理論或者數值模擬來開展研究，其中離散元模擬方法需要對體系中所有粒子進行追蹤計算。物理學家試圖建立顆粒體系的統計物理框架，進而可以利用統計物理的研究方法來研究顆粒多體體系。但顆粒物質屬於非平衡態多體系統，無法用經典的平衡態統計物理描述。上世紀90年代，劍橋大學S. F. Edwards教授及合作者提出了顆粒物質的統計力學系綜框架，成為相關領域的長期以來的研究熱點。
中國上海交通大學的王宇傑和合作者開展了驗證Edwards統計物理框架的相關研究，他們利用3D列印機制備了三種具有不同摩擦係數的球形顆粒樣本，進而利用CT成像技術研究了它們在不同振動強度下的穩態堆積結構。實驗結果證實了體積系綜框架適用於顆粒物質，給出了顆粒溫度、熵等計算結果；驗證了顆粒溫度滿足熱力學第零定律；並且澄清了摩擦透過改變力學穩定堆積的態密度進而影響顆粒物質統計力學的機制。該實驗工作對Edwards統計物理框架的驗證，對於改變現有的DEM模擬需要對每個粒子進行計算的研究模式，建立基於微觀過程統計平均而不是純經驗的顆粒宏觀連續介質力學具有非常重要的意義。
論文連結：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.018002
4 GapClust方法發現稀有細胞群體
區別於傳統組織水平的轉錄組分析，單細胞分析技術極大地提高了生命醫學領域的研究精度，可以幫助科研人員從細胞水平對生物體的發育及疾病進展深入探索。目前單細胞轉錄組資料的分析流程已經比較成熟，能夠較好的發現其中主要的細胞型別並進行後續標誌物的篩選。但是對於組織中數量較小的稀有細胞型別比如干細胞等，常規分析流程無法做到準確識別以及後續分析。
為此，上海交通大學生命科學技術學院俞章盛團隊開發了一款全新的方法GapClust來實現單細胞轉錄組中稀有細胞型別的準確識別。該方法基於稀有細胞群體與周圍細胞類群之間存在的相對較大距離（Gap）所引發的稀有細胞群體與周圍近鄰細胞距離的驟然變化設計二階導導數類似統計量來捕捉稀有細胞群體。多個模擬實驗結果表明GapClust方法相比於已有方法在準確性、敏感性以及計算效率等方面有了顯著提升。因此，該方法可以作為探索複雜疾病組織中稀有細胞群體的有力工具。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24489-8#Abs1
5 靜電調控實現柔性微型機器人高機動性
柔性微型機器人具有優良的環境適應性、行動隱蔽性和可叢集化作業的特點，在災後搜救、環境監測、偵察監聽等隱蔽狹小空間作業場合具有極大的應用潛力。但是，由於柔性材料具有低剛度、易變形的特點，柔性執行機構普遍存在著驅動能力弱、運動精度差的問題，給柔性機器人的靈活運動和精確控制帶來挑戰。
近日，清華大學深圳國際研究生院先進製造學部張旻、王曉浩團隊和美國加州大學伯克利分校林立偉團隊合作，在前期柔性機器人壓電諧振高效驅動結構的研究基礎上，提出了利用靜電調控摩擦力實現柔性微型機器人高速轉向控制的方法。機器人全長30mm，由柔性單晶壓電結構驅動，透過在機器人足部新增靜電足墊和機器人4自由度模型設計最佳化，進行驅動與靜電吸附協同控制，實現了482º/s的轉向速度和28身長/s2的轉向加速度，達到了已報道微型機器人的最高轉向速度，與蟑螂等陸地節肢動物相當。此外，機器人可在5.6秒內透過總長1.2m的迷宮路徑。在此基礎上，為了擺脫電纜的束縛，透過最佳化負載結構，機器人進一步實現了無纜獨立運動。透過攜帶的控制電路、電池、感測器等，實現了自動尋跡和軌跡控制。
論文連結：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe7906.full
6 胞糖基化酶介導的DNA損傷修復新機制
hNEIL1是鹼基切除修復途徑中一個關鍵的DNA糖基化酶，它可以修復十多種結構迥異的DNA鹼基損傷。遺憾的是，人們對hNEIL1的底物識別機制還所知甚少，尤其是hNEIL1如何特異性識別這些不同型別的底物，同時卻又能避免細胞內大量存在的正常DNA被錯誤切除。
北京大學生命科學學院、北大—清華生命科學聯合中心伊成器教授團隊與北京大學化學與分子工程學院高毅勤教授團隊利用活性位點突變和底物修飾兩種策略，鑑定到一種全新的hNEIL1-DNA作用模式。在該模式下，hNEIL1蛋白無法發揮糖基化酶活性行使催化功能，因而底物能夠被臨時地保護起來。分子動力學模擬對酶-底物結構動態的分析表明，hNEIL1能夠依靠兩種競爭性構象的相互轉變來感知底物的型別。本研究綜合利用結構生物學、生物化學及計算化學等多重手段，系統詮釋了DNA糖基化酶中存在的一種全新的損傷修復機制。由於hNEIL1蛋白的功能異常與包括癌症在內的多種疾病密切相關，這項研究有望在未來助力相關小分子藥物的開發。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24431-y
編輯 | 弢弢 排版 | 弢弢 稽核 | 隕石 六朵 蒼翼蝴蝶
