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【MBAChina網(wǎng)訊】航院李曉雁副教授課題組在力學(xué)結(jié)構(gòu)超材料研究取得重要進(jìn)展

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

材料學(xué)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(jìn)展

材料學(xué)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(jìn)展

化工系生物育種技術(shù)與裝備團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》發(fā)表文章

清華-伯克利深圳學(xué)院成會(huì)明、劉碧錄團(tuán)隊(duì)發(fā)表綜述文章系統(tǒng)分析各類(lèi)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(xué)結(jié)構(gòu)超材料研究取得重要進(jìn)展

清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁課題組，與中國(guó)科學(xué)院金屬所、美國(guó)布朗大學(xué)以及大連理工大學(xué)合作，在《納米快報(bào)》

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

復(fù)合納米點(diǎn)陣材料克服了傳統(tǒng)微納米點(diǎn)陣材料的強(qiáng)度與可恢復(fù)性之間的相互制約

李曉雁課題組提出了一種基于復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方案，解決上述難題。該設(shè)計(jì)方案首先采用了先進(jìn)的納米尺度增材制造技術(shù)（三維雙光子光刻激光直寫(xiě)）直接打印高彈性聚合物材料組成的納米點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（最小特征尺寸約為260nm），然后通過(guò)磁控濺射手段將具有高強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的優(yōu)異力學(xué)性能。該納米點(diǎn)陣不僅保有聚合物材料的高彈性和良好的可恢復(fù)性，而且由于高熵合金納米鍍膜的存在，使得該納米點(diǎn)陣兼具高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，從而使得該復(fù)合納米點(diǎn)陣材料克服了早先微納米點(diǎn)陣材料具有的強(qiáng)度與可恢復(fù)性之間相互制約的問(wèn)題。

（a-h）復(fù)合納米點(diǎn)陣材料的原位電鏡壓縮實(shí)驗(yàn)；

（i,j）復(fù)合納米點(diǎn)陣材料的比強(qiáng)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(tuán)隊(duì)首先展示了該復(fù)合納米點(diǎn)陣材料的制備和微結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能表征。通過(guò)原位掃描電鏡壓縮實(shí)驗(yàn)證實(shí)了復(fù)合納米點(diǎn)陣材料同時(shí)具有高的強(qiáng)度和良好的可恢復(fù)性。該納米點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度高達(dá)0.027MPa/kg·m，最大壓縮應(yīng)變超過(guò)50%仍然可以實(shí)現(xiàn)幾乎完全恢復(fù)，且單位體積能量吸收高達(dá)4.0MJ/m

近年來(lái)，李曉雁副教授研究團(tuán)隊(duì)主要從事新型微納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為和力學(xué)性能的研究，在相關(guān)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要的成果。相關(guān)工作發(fā)表在《自然材料》

清華大學(xué)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(guó)布朗大學(xué)高華健教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)航院2013級(jí)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(xué)院發(fā)文揭示中國(guó)工業(yè)園區(qū)碳排放情況及減排潛力

7月3日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2014級(jí)直博生郭揚(yáng)以第一作者身份在國(guó)際環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》

工業(yè)園區(qū)建設(shè)是我國(guó)改革開(kāi)放的一項(xiàng)重大創(chuàng)舉，經(jīng)歷近40年的發(fā)展，已成為我國(guó)工業(yè)化和城市化發(fā)展的重要支撐。目前，全國(guó)共有國(guó)家級(jí)和省級(jí)工業(yè)園區(qū)2500余家，貢獻(xiàn)了全國(guó)一半以上的工業(yè)產(chǎn)值。為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)承諾在2030年左右達(dá)到碳排放峰值。我國(guó)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(dá)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(guó)200余家國(guó)家級(jí)工業(yè)園區(qū)的碳排放特征，涵蓋了燃料燃燒導(dǎo)致的直接排放和能源生產(chǎn)相關(guān)的間接排放，并進(jìn)一步量化了園區(qū)能源消費(fèi)升級(jí)的碳減排潛力。研究發(fā)現(xiàn)，這200余家園區(qū)在2015年貢獻(xiàn)了全國(guó)GDP的11%和能源消費(fèi)總量的10%，其直接和間接碳排放分別達(dá)10.4億噸和1.8億噸二氧化碳當(dāng)量，二者約占全國(guó)碳排放總量的11%。通過(guò)優(yōu)化能源消費(fèi)，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(dāng)量，其中提升天然氣消費(fèi)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(jié)構(gòu)優(yōu)化、能源基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)和溫室氣體減排等管理決策問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 工業(yè)園區(qū)碳排放空間分布

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院清潔生產(chǎn)與生態(tài)工業(yè)研究中心長(zhǎng)期致力于中國(guó)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(kāi)展了長(zhǎng)期深入的研究和實(shí)踐。

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院田金平副研究員為本文通訊作者，環(huán)境學(xué)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(yáng)主要研究工業(yè)園區(qū)溫室氣體減排，已在《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》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(xué)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(jìn)展

7月3日，清華大學(xué)材料學(xué)院朱宏偉教授課題組在《先進(jìn)材料》

石墨烯是一種具有優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能的二維碳材料。石墨烯的高效制備及宏觀組裝對(duì)其規(guī)模應(yīng)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(yán)格的反應(yīng)條件，且一旦成形后，不可再被重塑或回收。因此，在需要復(fù)雜形狀石墨烯結(jié)構(gòu)與器件的應(yīng)用場(chǎng)合，可任意塑性的石墨烯宏觀體尤為重要。

為解決上述問(wèn)題，朱宏偉教授課題組將具有豐富官能團(tuán)的氧化石墨烯加入仿生礦化凝膠體系，形成氧化石墨烯、無(wú)定形碳酸鈣納米粒子、聚丙烯酸交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖）。該復(fù)合材料在濕潤(rùn)狀態(tài)下具有柔性、延展性及可拉伸性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜造型。在干燥條件下保持原有造型，具有高強(qiáng)度、韌性及硬度。通過(guò)水分控制實(shí)現(xiàn)了兩種狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變。此外，該復(fù)合材料具有極佳的重塑性和自愈合能力，可進(jìn)一步修飾或加工以滿(mǎn)足各種特定的應(yīng)用需求（如能源儲(chǔ)存、促動(dòng)器、傳感器）。該方法具有簡(jiǎn)便、高效、低成本等特點(diǎn)，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(jī)理及造型展示

近年來(lái)，朱宏偉教授研究團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于低維材料的可控制備、性能表征及應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、柔性器件、環(huán)境/能源等領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要成果。相關(guān)工作發(fā)表在《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》

本文第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院2014級(jí)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(xué)芹澤武教授。

論文鏈接：

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

材料學(xué)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(jìn)展

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

隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用與智能電網(wǎng)的發(fā)展，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注。可充電電池具有能量效率高，成本可控，不受地形空間限制等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域具有較大的潛力。儲(chǔ)能電池需要滿(mǎn)足高功率、高安全性、長(zhǎng)壽命和低成本等要求，新一代儲(chǔ)能電池的開(kāi)發(fā)，一直是電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。LME電池是大規(guī)模儲(chǔ)能電池的候選方案，在這一類(lèi)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(wèn)題，伍暉副教授課題組與美國(guó)斯坦福大學(xué)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(yùn)行溫度），將LME電池的運(yùn)行溫度降低至240℃。LLZTO固態(tài)電解質(zhì)在240℃工作時(shí)具有遠(yuǎn)高于室溫條件下的離子電導(dǎo)率，可以實(shí)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(yīng)，提升電池的庫(kù)倫效率。這種新型電池系統(tǒng)未來(lái)有望在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中得以應(yīng)用。

基于固態(tài)電解質(zhì)的熔融鋰電池的示意圖

近年來(lái)，伍暉副教授研究團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于功能材料的制備及其在能源存儲(chǔ)、柔性電子和環(huán)境等領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)，在相關(guān)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要成果。相關(guān)工作發(fā)表在《自然能源》

清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉副教授和美國(guó)斯坦福大學(xué)崔屹教授為本文的通訊作者。清華大學(xué)材料學(xué)院訪問(wèn)學(xué)生金陽(yáng)和材料學(xué)院2013級(jí)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(shù)與裝備團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》發(fā)表文章

6月26日，清華大學(xué)化工系生物育種技術(shù)與裝備團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（

經(jīng)過(guò)工程化改造的細(xì)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(yīng)用的基因組編輯工具。近年來(lái)，科學(xué)家逐漸展示了其在高通量基因功能篩選方面的應(yīng)用潛力：首先對(duì)待篩編碼基因進(jìn)行敲除或敲低，并以細(xì)胞生長(zhǎng)或特定標(biāo)記作為一個(gè)表型指標(biāo)，將靶定待研究表型相關(guān)基因的單導(dǎo)向RNA(sgRNA)文庫(kù)富集出來(lái)，并利用高通量測(cè)序技術(shù)定量每個(gè)基因的功能。目前這一策略主要被用來(lái)進(jìn)行高等真核生物的高通量功能基因組學(xué)研究。由于細(xì)菌和高等真核生物基因組的系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)差異，在細(xì)菌中使用這種方法的高通量功能篩選尚未見(jiàn)報(bào)道。在這項(xiàng)最新研究工作中，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了大腸桿菌全基因組范圍的sgRNA文庫(kù)，結(jié)合CRISPRi基因敲低技術(shù)，對(duì)于這一模式微生物的一系列重要基因組學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了大規(guī)模研究。

利用合成sgRNA文庫(kù)和CRISPRi基因敲低技術(shù)進(jìn)行高通量細(xì)菌功能基因組學(xué)研究

研究團(tuán)隊(duì)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(shí)也對(duì)必需基因篩選結(jié)果中和已知數(shù)據(jù)庫(kù)不吻合的部分基因進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，更新了對(duì)于該模式微生物必需基因的認(rèn)識(shí)。此外，他們還發(fā)現(xiàn)該方法可以有效地研究細(xì)菌中RNA編碼基因的功能。盡管這類(lèi)基因近年來(lái)被發(fā)現(xiàn)廣泛的參與細(xì)菌的重要生物學(xué)過(guò)程，但是由于傳統(tǒng)細(xì)菌高通量遺傳分析方法本身的局限，這類(lèi)基因受到了普遍的忽視。有趣的是，利用該方法繪制的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）必需性圖譜，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌中有六個(gè)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(gè)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(xì)菌RNA編碼基因功能

利用隨機(jī)轉(zhuǎn)座子插入文庫(kù)的混合篩查（Tn-seq）是目前應(yīng)用最為廣泛的高通量細(xì)菌系統(tǒng)遺傳分析手段。研究團(tuán)隊(duì)以已知必需基因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)分析了新建立的CRISPRi敲低篩選方法相比于轉(zhuǎn)座子測(cè)序的性能優(yōu)劣。結(jié)果表明，在類(lèi)似文庫(kù)規(guī)模條件下，CRISPRi敲低篩選方法相比于隨機(jī)轉(zhuǎn)座子插入文庫(kù)的混合篩查方法，能夠以更低的假陽(yáng)性率捕獲更多的已知必需基因，且編碼區(qū)域長(zhǎng)度越短這一優(yōu)勢(shì)越為明顯。

研究團(tuán)隊(duì)還以氨基酸代謝為例，通過(guò)同工酶功能、色氨酸途徑環(huán)境響應(yīng)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(luò)結(jié)構(gòu)的能力。同時(shí)，通過(guò)對(duì)于大腸桿菌全基因組范圍內(nèi)對(duì)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(diǎn)，為菌株的工程化改造提供了基礎(chǔ)。

該工作第一次報(bào)道了利用CRISPRi方法結(jié)合高通量混合篩選和測(cè)序?qū)τ诩?xì)菌的功能基因組學(xué)進(jìn)行研究，并通過(guò)對(duì)于結(jié)果的系統(tǒng)分析提出了適用于細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu)的sgRNA文庫(kù)設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了軟件工具，可以一站式的進(jìn)行sgRNA文庫(kù)的設(shè)計(jì)和篩選后的測(cè)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(shù)與裝備團(tuán)隊(duì)首席邢新會(huì)教授，信息國(guó)家研究中心、自動(dòng)化系謝震研究員為本文共同作者，他們同時(shí)為清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)研究中心核心成員。清華大學(xué)化工系博士生王天民、關(guān)長(zhǎng)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(duì)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(xué)院成會(huì)明、劉碧錄團(tuán)隊(duì)發(fā)表綜述文章系統(tǒng)分析各類(lèi)剝離制備二維材料的方法

6月17日，清華-伯克利深圳學(xué)院成會(huì)明、劉碧錄團(tuán)隊(duì)在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)旗下的《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》（

二維材料相關(guān)研究近年來(lái)呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這使得插層和剝離具有層狀結(jié)構(gòu)的塊體材料以制備二維材料成為研究熱點(diǎn)。相比于自下而上的制備方法，通過(guò)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(shì)。基于這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(yīng)用前景，包括電子、光電子、能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)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(lèi)器件中的應(yīng)用

在過(guò)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(shí)現(xiàn)二維材料分散液在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。有鑒于此，文章提出了以下幾點(diǎn)該領(lǐng)域可能的重要研究方向和機(jī)遇：(1) 大規(guī)模制備二維材料的方法；(2) 獨(dú)特二維材料的剝離；(3) 剝離制備的二維材料的異質(zhì)結(jié)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(zhuǎn)換和儲(chǔ)存中的應(yīng)用；(7) 應(yīng)用導(dǎo)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(jié)

圖2. 二維材料分散液組裝薄膜的方法總結(jié)

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(xué)院（TBSI）博士后蔡興科、2017級(jí)博士生羅雨婷，文章通訊作者為成會(huì)明院士和劉碧錄研究員。

《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》是英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)的綜述期刊（影響因子：38.618），與美國(guó)化學(xué)會(huì)的《化學(xué)評(píng)論》（

論文鏈接：

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

未來(lái)科技項(xiàng)目是清華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院傾力打造的新時(shí)代項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)跑者。以清華經(jīng)管EMBA核心的“天、地、人、通”課程為管理內(nèi)核，重塑企業(yè)家對(duì)于宇宙、未來(lái)、自然的三重認(rèn)知，打造科技人文跨界學(xué)習(xí)、產(chǎn)學(xué)研用一體化平臺(tái)的生態(tài)鏈，為國(guó)家培養(yǎng)掌握核心科技、引領(lǐng)中國(guó)未來(lái)、貢獻(xiàn)人類(lèi)社會(huì)的科技型戰(zhàn)略企業(yè)家。

招生對(duì)象：中國(guó)智造領(lǐng)軍者、轉(zhuǎn)型升級(jí)企業(yè)家、科技驅(qū)動(dòng)創(chuàng)始人、創(chuàng)新領(lǐng)域投資人。