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近期，西安交大科研人员在锂硫电池、电场大范围调控自旋霍尔角、复杂疾病罕见变异研究策略、超分辨荧光显微成像、疑难皮损炎症类别、超分子手性、去中心化自治组织平台治理模式、一碳气体生物转化利用等领域相继取得重要进展。

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｜目录｜

1、西安交大研究人员在锂硫电池领域取得多项进展

2、西安交大科研人员实现电场大范围调控自旋霍尔角

3、西安交大科研人员在复杂疾病罕见变异研究策略方面取得重要进展

4、西安交大科研人员在超分辨荧光显微成像领域取得重要进展

5、西安交大科研人员揭示疑难皮损炎症类别，研发网络工具助力皮损炎症类型诊治

6、西安交大科研人员发现超分子手性产生新机制

7、西安交大科研人员探索去中心化自治组织平台治理模式，助力区块链分布式平台绩效提升

8、西安交大科研人员在一碳气体生物转化利用领域取得新进展

#01

西安交大研究人员

在锂硫电池领域取得多项进展

发表期刊

《储能材料》

(Energy Storage Materials, IF=17.79)

内容摘要

锂硫电池凭借着独特的氧化还原反应储能机制，表现出超高的理论质量比容量（1675 mAh g-1）和功率密度（2600 Wh kg-1），从而被认为是极具竞争力的下一代储能电池。但是，单质硫在氧化还原反应过程中产生的多硫化锂容易溶解于有机电解液，在充放电过程中穿梭于正负极之间，并对金属锂负极具有腐蚀危害影响。因此，限制多硫化锂的扩散和穿梭，使其快速转化反应是获得高性能锂硫电池的关键。

针对这一问题，材料学院柳永宁教授课题组对锂硫电池电化学性能和吸附催化机理进行了改善和研究。

课题组通过调控氧空位来促进氧化铟在锂硫电池中的催化活性。该研究中，利用In2O3和葡萄糖在水热条件下反应，制备具有氧空位的In2O3-x与碳球（CS）的复合物。通过改变葡萄糖的量可以控制In2O3-x表面氧空位的强度从而达到调控氧空位的目标。将制备的材料与石墨烯复合并抽滤到电池隔膜上来研究其对多硫化锂穿梭效应的抑制效果。

a、水热还原法制备具有氧空位的In2O3-x与碳球复合物的示意图

b、c、不同氧空位浓度的In2O3-x与碳球复合物的EPR和XPS测试

文章作者

论文第一作者为邹坤洋博士，共一为陈新星硕士。柳永宁教授与陈元振副教授为本文通讯作者。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.03.003

发表期刊

Small（IF=13.28）

内容摘要

为了从正极上改善多硫化锂的扩散问题，材料学院柳永宁教授课题组通过SiO2模板法利用无氮源的有机物作为前驱体，过硫酸铵作为氧化剂制备了高规整且均匀的氮、氧共掺杂蜂窝碳（N/O-HC）作为锂硫电池硫载体。研究了不同碳化温度下N/O-HC的形貌结构以及相应的电化学性能，分析了充放电过程中载体对多硫化物穿梭效应的限制和锂负极保护作用。另一方面，通过DFT计算分析了N、O杂原子对多硫化锂的吸附机理、吸附能力以及协同吸附的效果。

氮、氧掺杂蜂窝碳的制备示意图

文章作者

论文第一作者为邹坤洋博士。柳永宁教授与刘艳助理教授为本文通讯作者。

论文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202107380

发表期刊

《先进能源材料》

（Advanced Energy Materials，IF：29.368）

内容摘要

材料学院柳永宁教授课题组构建了一种基于樟子松生物质管道的限域型碳基体与缺陷型钙钛矿（LaNiO3-x）复合结构。这种自支撑复合结构具有载硫、集流一体化功能，可以省去传统正极制备过程中的混料、涂料、裁片等工艺。此外，凭借于垂直且独立的管道结构，该复合结构能够在横向方向绝对的防止多硫化锂扩散。另一方面，基于LaNiO3-x表面氧空位对多硫化锂的快速捕捉和催化转化能力，该复合结构对多硫化锂的纵向扩散也具有强列的抑制作用。因此，搭载这种复合电极的锂硫电池表现出超高的循环稳定性（S：4.4 mg cm-2，电流：0.5 C，容量保持率：99 %）和高面积比容量（S：11.6 mg cm-2，面积比容量：8.5 mAh cm-2）。

复合电极（GP/CNT/LNO-V-S）的制备示意图

文章作者

论文第一作者为邹坤洋博士，共一为安徽大学周腾飞教授。西安交通大学陈元振、柳永宁教授与澳大利亚阿德莱德大学郭再萍教授为共同通讯作者。

论文链接

https://doi.org/10.1002/aenm.202103981

#02

西安交大科研人员

实现电场大范围调控自旋霍尔角

发表期刊

《自然通讯》

(Nature Communications)

内容摘要

通过自旋轨道矩(SOT)实现电流驱动磁化翻转的方法，具有响应快、功耗低、高稳定性等天然优势，是开发下一代自旋存储和逻辑器件的重要基础。基于这一原理设计的自旋轨道矩磁随机存储器(SOT-MRAM)有望成为新一代超高性能非易失性存储器，具有广阔的应用前景。

在该器件中，电流流经具有强自旋轨道耦合的非磁性材料并转化为自旋流注入临近的铁磁层中实现磁化翻转。自旋霍尔角作为衡量电荷流与自旋流转化效率的关键参数，直接影响到整个存储器件的性能与功耗表现。因此，寻找具有强自旋轨道耦合与高自旋霍尔角的材料，是构建低功耗自旋转矩器件的核心诉求。近年来有报道Bi2Se3、Bi2Te3等拓扑绝缘材料凭借其独有的自旋-动量锁定机制而具有极高的自旋霍尔角。如何通过原理与技术创新，对材料的自旋霍尔角实现调控与增强，在当今自旋电子学领域具有重要的理论和应用价值。

针对上述科学问题，西安交通大学电信学部刘明教授团队在PMN-PT衬底上构建了Bi2Se3/NiFe结构的霍尔器件。通过在衬底上原位施加纵向电场对Bi2Se3自旋霍尔角进行调控，调控效果具有良好的稳定性与可回复性，最高实现了Bi2Se3自旋霍尔角600%的增强。

通过设计对照实验表明对Bi2Se3自旋霍尔角大范围调控与增强的机理源自铁电衬底的电致应力与极化翻转所带来的表面电荷掺杂的双重作用。第一性原理计算表明应力与电荷掺杂可以显著改变Bi2Se3费米能级处的贝里曲率，进而对自旋霍尔角产生有效调控。该工作对自旋霍尔角的大范围调控与增强可有效降低SOT-MRAM器件中磁化翻转所需的临界电流，在设计低功耗与可调谐自旋电子器件中具有重要意义。

文章作者

西安交通大学为该论文唯一署名单位。电信学部电子科学与工程学院博士生鲁琦、材料科学与工程学院青年教师李平为论文共同第一作者。刘明教授、郭志新教授及青年教师董国华为论文共同通讯作者。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29281-w

刘明教授团队主页

https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/mingliu

#03

西安交大科研人员

在复杂疾病罕见变异研究策略方面取得重要进展

发表期刊

《分子精神病学》

（Molecular Psychiatry）（IF=15.99）

内容摘要

全基因组关联研究（GWAS）已经发现了数千种与人类复杂疾病易感性密切相关的常见遗传变异。利用GWAS发现的常见遗传变异计算的多基因风险评分已被广泛应用于复杂疾病的遗传结构分析和疾病风险预测。近期研究发现，复杂疾病罕见遗传变异比常见遗传变异具有更大的致病效应，但罕见遗传变异在复杂疾病遗传机制中的作用研究相对较为有限。全外显子组关联研究是目前鉴定致病罕见遗传变异的主要研究方法之一，然而由于复杂疾病遗传异质性强，罕见变异频率低，复杂疾病全外显子组关联研究的统计效力受到显著影响。

针对复杂疾病遗传异质性强，罕见变异频率低的难题，研究人员提出将复杂疾病多基因风险评分与全外显子组关联研究整合的分析策略。首先，利用既往大规模GWAS研究结果，计算个体复杂疾病多基因风险评分，然后采用极端表型抽样过滤多基因风险评分低的个体并重新定义疾病表型，使罕见遗传变异在研究样本中得到显著富集，部分解决了复杂疾病遗传异质性强，罕见变异频率低的难题。为了验证分析策略的有效性，研究人员利用英国生物银行（UK Biobank）公共队列发布的20万人的全外显子测序数据，进行了抑郁症的全外显子组关联研究，结果发现OR8B4等基因上的罕见遗传变异在抑郁症的遗传机制中发挥重要作用。该研究成果为复杂疾病相关罕见遗传变异鉴定提供了一种新的有效分析策略，显著提升了统计效力，同时也为揭示抑郁症的分子发病机制提供了新的重要科学证据。

文章作者

公共卫生学院博士生程仕强是论文的唯一第一作者，张峰教授是论文的唯一通讯作者。西安交通大学医学部公共卫生学院、国家卫健委微量元素与地方病研究重点实验室、教育部环境与疾病相关基因重点实验室、陕西省疾病防控与健康促进重点实验室为论文的第一作者和通讯作者单位。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41380-022-01536-4

#04

西安交大科研人员

在超分辨荧光显微成像领域取得重要进展

发表期刊

《先进光子学》

（Advanced Photonics）

内容摘要

超分辨荧光显微成像技术打破了光学衍射极限的桎梏，使人类得以用无损的方式窥探纳米尺度的微观生物世界，为人类探索生命的奥秘提供了前所未有的手段。其中，超分辨结构光照明显微镜（super-resolution structured illumination microscopy, SR-SIM）具有更快的成像速度、更低的光毒性以及更弱的光漂白，在活体细胞的长时间动态观测中备受青睐。然而，在进行活细胞成像时，背景荧光不仅会导致SR-SIM图像对比度急剧下降，同时还会产生大量周期性的计算伪影，为分辨活细胞中的精细结构带来了巨大的挑战。同时，传统SR-SIM复杂、耗时的重构算法使得实现实时的超分辨观测变得困难重重。通常情况下，SR-SIM用户必须首先使用宽场模式搜索感兴趣的视场，然后切换到SR-SIM模式采集原始SIM图像，接着将SIM原始图像导入图像后处理程序，等待程序完成图像重建，最后才能观察到样品的超分辨图像。这种繁琐的工作流程对于显微镜操作者来说无疑十分低效，不可避免地阻碍了SR-SIM在生物学实验室中的广泛应用。

传统Wiener-SIM算法和JSFR-SIM算法

重建流程对比示意图

雷铭教授团队提出了一种空频域混合式重建算法(Joint Space and Frequency Reconstruction, JSFR-SIM)，极大地提高了SR-SIM的图像重建速度，解决了传统重建方法难以实现实时重建的问题。同时，该算法还能够有效抑制活细胞成像时的背景荧光与周期性的计算伪影，为解析活细胞中细胞器的精细结构观测提供了极大的便利。经测试，该方法将SR-SIM的图像重建时间缩短到毫秒级别并实现了超分辨图像的实时显示，重建速度比目前广泛使用的Wiener-SIM算法快了近2个数量级。理论模拟和实验观测均证明该方法在提升重建速度的同时并不会损失任何图像质量。

JSFR-SIM可实时显示微管和线粒体动态

另外，雷铭教授团队还将该算法与自行研制的超分辨结构光照明显微镜结合，对活体COS-7细胞进行了实时观测，并捕捉到了微管的动态组装与解体过程以及快速的线粒体制管过程。该方法为实时观察活细胞中细胞器与生物大分子的动态过程提供了一种快速的重建手段，有望大幅简化超分辨显微镜使用者的工作流程，提高相关科学工作者的成像效率，从而促进SR-SIM在生物医学实验室的广泛应用。相关技术目前已授权和正在申请多项国家发明专利，系统工程样机也已经研制完成。

快速实时超分辨结构光照明显微成像系统原理样机

文章作者

论文的第一单位为西安交通大学，第一作者为新讲师汪召军博士，通讯作者为雷铭教授。此外，物理学院博士后赵天宇、北京大学生命学院博士后蒿慧文等也参与了研究工作。

论文链接

https://doi.org/10.1117/1.AP.4.2.026003

雷铭教授团队主页

http://gr.xjtu.edu.cn/web/ming.lei

#05

西安交大科研人员

揭示疑难皮损炎症类别

研发网络工具助力皮损炎症类型诊治

发表期刊

《科学免疫学》

（Science Immunology）

内容摘要

皮损是皮肤细胞群功能失调的结果，但是人类皮肤含有数十种不同的细胞类型，包括形成血管、神经和局部免疫系统的细胞类型，这就为皮损炎症类型的精准识别带来困难。几十年来，临床医生主要通过眼睛诊断皮疹。虽然在显微镜下可以通过分析皮肤样本的物理外观能够判断比较明显的皮肤状况，但许多皮疹可能难以通过临床或病理进行区分，尤其在分子水平上，皮疹之间的差异变得更加明显。

虽然很多研究发现皮肤细胞中分子异常会导致银屑病和湿疹等疾病中的红斑和鳞屑的发生。然而皮肤中几乎所有的细胞类型都会释放促使炎症恶化的化学物质，但哪些细胞类型的化学物质是导致皮损形成仍然是一个谜，且患者的个体差异更是为疾病的诊治带来挑战。为揭示导致皮损的主要免疫细胞类型和指导临床的精准治疗带，刘亚乐副研究员与加州大学旧金山分校的教授合作开展了本项研究。

单细胞转录组测序能够从单个细胞水平揭示转录组的变化，精准地分析炎症性皮肤病中免疫和基质细胞紊乱的复杂信号。因此该研究采用单细胞测序的技术，分析了31例皮肤病患者样本（包括7例特应性皮炎，8例银屑病，2例扁平苔藓，1例大疱性天疱疮，6例临床病理学不确定的皮损样本和7例来自整形手术的健康对照皮肤）中CD45+免疫细胞转录组的差异。结果显示，来自特应性皮炎、银屑病和健康对照皮肤样本的免疫细胞显示出不同的免疫特征，而这些差异性主要集中在皮肤定居记忆T细胞中。该研究进一步通过严格的基因筛选后，获得皮肤定居记忆T细胞中特应性皮炎和银屑病特有的基因簇。经过基因和蛋白水平的反复验证后，作者将特应性皮炎和银屑病特异的基因簇用于皮肤科已知皮损如扁平苔藓和大疱性类天疱疮比对，并与 6例临床未知炎症类型的皮损比对，从而在分子水平上描绘了人类炎症性皮肤病的主要炎症类别。研究者还基于研究结果创建了一种网络工具，帮助临床医生分析任意皮损的炎症类型，从而指导治疗。此工具目前为开放的网络资源皮损X，研究者或临床工作者可以使用它来分类未知皮损的炎症。

文章作者

刘亚乐为论文第一作者，西安交通大学第二附属医院为论文第一单位。

论文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciimmunol.abl9165

#06

西安交大科研人员

发现超分子手性产生新机制

发表期刊

《美国化学学会会刊》

(J. Am. Chem. Soc)

内容摘要

超分子手性的自发产生与放大机理是当前手性研究的一个重点与难点，对这一问题的探索将推动各类手性器件的构筑，深化对生命体起源的理解，拓展超分子体系的研究前沿。在软材料领域，过往针对手性自发产生机制的研究工作主要聚焦于简单螺旋结构中，对复杂三维体系中超分子手性自发产生机理的研究尚属空白，也是手性功能软材料构筑的重要前提。遗憾的是，研究手段方面的匮乏以及三维体系本身的复杂性成为阻碍超分子手性研究的主要难点问题。

针对超分子手性自发产生机制这一科学问题，西安交通大学材料学院、陕西省软物质国际联合研究中心的研究人员，与德国哈勒维滕贝尔格马丁路德大学研究人员合作，利用共振软X射线散射(RSoXS)研究了非手性多爪型分子的自组装行为，从分子层面解析了三维体系中超分子手性的自发形成机制。由于非手性多爪型分子本身的不对称性，其自组装结构随温度变化产生超分子手性，这一体系为理解超分子手性的自发产生提供了一个绝佳的平台。

RSoXS是一种利用线偏振X射线在元素吸收边附近进行散射的实验方法，其物理过程包含散射与吸收两部分，散射为该实验方法提供识别周期性的能力，吸收过程使得电子跃迁至外层非球形轨道中，使得不同方向的轨道与线偏振X射线的作用方式不同，从而赋予了RSoXS分辨电子轨道/价键方向周期性的能力。借助于这种特性以及原位温度敏感性分析，研究人员成功地表征了手性四方结构(Tetbi)，并通过简化的结构模型，结合散射理论，对手性四方结构中的分子排布方式进行了解析。揭示了从非手性立方结构(Cubbi)到手性四方结构(Tetbi)的手性产生过程。随着温度的降低，一条网络中的分子保持螺旋排布，而另一条网络中的分子逐渐随机，从而自发产生了超分子手性。这一发现首次解析了三维体系中超分子手性的自发产生过程，探究了分子螺旋间的相互作用对超分子手性的影响，拓宽了超分子手性体系的表征思路。

文章作者

论文第一作者为西安交大材料学院助理教授曹瑜，通讯作者是西安交大金属材料强度国家重点实验室刘峰教授以及德国哈勒维滕贝尔格马丁路德大学Carsten Tschierske教授，陕西省软物质国际联合研究中心与西安交大金属材料强度国家重点实验室为本文第一单位。

论文链接

http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.2c01511

#07

西安交大科研人员

探索去中心化自治组织平台治理模式

助力区块链分布式平台绩效提升

发表期刊

《运营管理杂志》

（Journal of Operations Management）

内容摘要

区块链是分布式数据库、共识机制、智能合约等创新技术的一种融合应用范式，正在科技、金融、商业等领域引起重要变革。在组织管理领域，区块链技术催生了去中心化自治组织（Decentralized Autonomous Organization），这是一种将组织的管理和运营规则以智能合约编码在区块链上，从而能够在没有集中控制或第三方干预的情况下实现平台自动化运转的创新组织形式。去中心化自治组织将代币加权投票作为管理决策的主要形式，基于组织成员的意见来制定管理决策，能够从制度上解决传统公司中存在的“代理问题”。目前，关于去中心化自治组织的研究主要都停留在定性分析，强调其在组织管理上的创新性，但还没有研究针对其在分布式平台运营管理实践中的有效性进行定量分析。

基于前期在区块链方向上的大量数据积累和挖掘工作，西安交通大学管理学院赵玺教授及合作者针对以上问题进行了实证研究，通过对去中心化自治组织处理工作任务的流程进行总结和抽象，提出了新的管理决策模型并进行了检验。研究结果发现，通过代币加权投票得到的运营型管理决策对平台的运营绩效产生负面影响，通过此方式得到的战略型决策则对平台绩效产生积极影响。此外，研究还发现去中心化自治组织所采用的任务分配、激励分配和信息提供等机制对上述关系存在调节作用。

文章作者

赵玺教授为论文第一作者，新墨西哥大学罗欣教授、南密西西比大学教授赖福军为通讯作者，其他作者包括西安交通大学管理学院博士生艾佩林、法国北方高等商学院教授Benitez Jose。

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#08

西安交大科研人员

在一碳气体生物转化利用领域取得新进展

发表期刊

《生物技术进展》

（Biotechnology Advances）

《应用微生物与生物技术》

（Applied Microbiology and Biotechnology）

内容摘要

在国家“双碳”战略目标的背景下，如何实现碳资源的有效循环利用，已成为人类社会发展面临的最严峻问题之一。作为一碳温室气体，甲烷（CH4）来源广泛，也是重要的微生物碳源，将其生物转化制备化学品，既有助于温室气体减排，又可拓宽生物制造原料来源，为助力实现“碳中和”目标提供技术支撑和解决方案。作为石油炼制的一类重要的化学品，醇类化合物可广泛用于能源、材料、医药等行业领域。为摆脱对传统石化资源的依赖，利用微生物合成醇类化合物，已成为极具潜力的生物制造路线，并对推动绿色经济发挥重要作用。

近日，西安交通大学化学工程与技术学院费强课题组在国际生物技术权威期刊《生物技术进展》（Biotechnology Advances）发表综述文章，全面总结了利用微生物转化甲烷、二氧化碳等一碳气体合成短链生物醇的研究进展，详细介绍了嗜甲烷菌等模式菌株与生物固碳相关的代谢途径，并从底物活化电子能量供给、产物耐受菌筛选与耐受机理解析、关键中间代谢物累积、基因表达调控以及产物合成碳通量优化等角度系统阐述了一碳气体合成生物醇的最新进展，同时分析和讨论了该生物技术面临的挑战和前景，为一碳气体的高效生物利用途径及碳资源循环经济模式的建立提供了理论指引。

费强课题组长期围绕嗜甲烷菌的人工构建及其甲烷代谢机制进行探究，近日首次通过实验证实了I型嗜甲烷菌模式菌株的氮气固定能力，揭示了该菌株关键转录因子NifA对胞内固氮功能酶、甲烷代谢、能量供给、膜转运和细胞生长等基因的调控作用和影响机制。该研究不仅为了解嗜甲烷菌的生理特性和胞内氮代谢奠定了研究基础，还为甲烷-氮气共利用合成蛋白饲料等高附加值产品提供了技术经济可行性策略。该研究成果发表在国际应用生物技术领域权威期刊《应用微生物与生物技术》（Applied Microbiology and Biotechnology）上。

文章作者

西安交通大学化工学院助理教授郭树奇为论文第一作者，化工学院费强教授为唯一通讯作者，化工学院为唯一通讯作者单位。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975022000507

https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-022-11910-5

「出品 / 党委宣传部」

内容来源 / 西安交大新闻网

文图 / 材料学院 电信学部 公共卫生学院

物理学院 二附院 化工学院 管理学院

社会科学处 科研院

责任编辑 / 崔可嘉