《科学》(20190823出版)一周论文导读

2019 年 8 月 24 日 科学网

编译 | 唐一尘


Science, 23 AUGUST 2019, VOL 365, ISSUE 6455

《科学》2019年8月23日,第365卷6455期



材料学 Materials


Ultrafast laser welding of ceramics

陶瓷超快激光焊接


▲ 作者:E. H. Penilla、L. F. Devia-Cruz、A. T. Wieg, et al

▲ 链接:

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/803


▲ 摘要:

陶瓷焊接是现代制造业中一个重要的缺失环节。目前的方法不能将陶瓷与温度敏感材料,如聚合物和电子元件,结合在一起。


本研究介绍了一种超快脉冲激光焊接方法,该方法将光聚焦在界面上,以确保陶瓷上的光相互作用范围,从而刺激非线性吸收过程,导致局部熔化而不是烧蚀。其关键是线性和非线性光学特性与激光能量—材料耦合的相互作用。


焊接陶瓷组件具有高真空,以及剪切强度可与金属—陶瓷扩散接合相媲美。激光焊接可以在恶劣环境的设备中制造陶瓷整体组件,也可以在光电子和/或需要可见射频透明度的电子封装中制造陶瓷整体组件。


▲ Abstract

Welding of ceramics is a key missing component in modern manufacturing. Current methods cannot join ceramics in proximity to temperature-sensitive materials like polymers and electronic components. We introduce an ultrafast pulsed laser welding approach that relies on focusing light on interfaces to ensure an optical interaction volume in ceramics to stimulate nonlinear absorption processes, causing localized melting rather than ablation. The key is the interplay between linear and nonlinear optical properties and laser energy–material coupling. The welded ceramic assemblies hold high vacuum and have shear strengths comparable to metal-to-ceramic diffusion bonds. Laser welding can make ceramics integral components in devices for harsh environments as well as in optoelectronic and/or electronic packages needing visible-radio frequency transparency.


Programmable CRISPR-responsive smart materials

可编程的CRISPR-反应性智能材料


▲ 作者:Max A. English、Luis R. Soenksen、Raphael V. Gayet、Helena de Puig, et al

▲ 链接:

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/780


▲ 摘要:

由生物信号激活的智能材料在生物医学应用中已变得日益重要,用DNA序列构建反应性水凝胶已被认为特别适用于这些目的。


然而,目前的DNA反应性水凝胶的使用(尤其是它们的可编程性)是有限的,这在很大程度上是由于其设计复杂且对DNA驱动触发器缺乏敏感性。


本研究推出了一种新型的DNA水凝胶系统。研究人员用RNA引导的Cas12a核酸酶来设靶并裂解水凝胶内的特定(但任意)的由用户定义的DNA部分,从而触发对该材料的驱动。


这种可编程CRISPR-反应性智能材料有广泛用途,研究人员演示了包裹在DNA水凝胶中的化合物、纳米颗粒及活细胞的受控释放。


而且,这些材料可被设计成具可降解性电气保险丝和能够进行无线射频识别(RFID)信号传输的流体阀。

 

▲ Abstract

Stimuli-responsive materials activated by biological signals play an increasingly important role in biotechnology applications. We exploit the programmability of CRISPR-associated nucleases to actuate hydrogels containing DNA as a structural element or as an anchor for pendant groups. After activation by guide RNA–defined inputs, Cas12a cleaves DNA in the gels, thereby converting biological information into changes in material properties. We report four applications: (i) branched poly(ethylene glycol) hydrogels releasing DNA-anchored compounds, (ii) degradable polyacrylamide-DNA hydrogels encapsulating nanoparticles and live cells, (iii) conductive carbon-black–DNA hydrogels acting as degradable electrical fuses, and (iv) a polyacrylamide-DNA hydrogel operating as a fluidic valve with an electrical readout for remote signaling. These materials allow for a range of in vitro applications in tissue engineering, bioelectronics, and diagnostics.


生物地球化学/物理学  Biogeochemistry/ physics


The global soil community and its influence on biogeochemistry

全球土壤群落及其对生物地球化学的影响


▲ 作者:T. W. Crowther、J. van den Hoogen、J. Wan, et al

▲ 链接:

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/eaav0550


▲ 摘要:

土壤有机体代表着陆地上最具生物多样性的群落,并控制着陆地生物圈中最大的有机质池的运转。


这些群落在地方尺度上的高度复杂性,掩盖了确定全球土壤生物多样性和生物地球化学统一模式的努力。


因此,在全球生物地球化学模型中,环境协变量通常被用作代表土壤群落活动的变量。


然而,在过去10年里,大规模的研究已经开始超越这种局部的异质性,以确定全球范围内某些土壤群的生物量、多样性和组成的统一模式。


这些统一模式为了解陆地有机物的基本分布和动态提供了新见解。


▲ Abstract

Soil organisms represent the most biologically diverse community on land and govern the turnover of the largest organic matter pool in the terrestrial biosphere. The highly complex nature of these communities at local scales has traditionally obscured efforts to identify unifying patterns in global soil biodiversity and biogeochemistry. As a result, environmental covariates have generally been used as a proxy to represent the variation in soil community activity in global biogeochemical models. Yet over the past decade, broad-scale studies have begun to see past this local heterogeneity to identify unifying patterns in the biomass, diversity, and composition of certain soil groups across the globe. These unifying patterns provide new insights into the fundamental distribution and dynamics of organic matter on land.


Observation of a symmetry-protected topological phase of interacting bosons with Rydberg atoms

用里德伯原子观察玻色子相互作用的对称保护拓扑相


▲ 作者:Sylvain de Léséleuc、Vincent Lienhard、Pascal Scholl, et al

▲ 链接:

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/775


▲ 摘要:

拓扑相的概念是描述量子多体系统基态的一个强有力框架,它超越了对称破裂的范式。


拓扑相可以自然地出现在凝聚态系统中,而在人工物质中实现和研究这样的量子多体基态需要精心的工程设计。


本文报道了一维晶格中相互作用玻色子对称保护拓扑相的实验实现,并证明了受保护的零能边缘态具有强力的基态简并性。


实验装置是基于被困在光镊子阵列中的原子,并被激发到里德伯能级,由此产生了具有偶极交换相互作用制造的有效跳跃的核心玻色子。

 

▲ Abstract

The concept of topological phases is a powerful framework for characterizing ground states of quantum many-body systems that goes beyond the paradigm of symmetry breaking. Topological phases can appear in condensed-matter systems naturally, whereas the implementation and study of such quantum many-body ground states in artificial matter require careful engineering.Here, we report the experimental realization of a symmetry-protected topological phase of interacting bosons in a one-dimensional lattice and demonstrate a robust ground state degeneracy attributed to protected zero-energy edge states. The experimental setup is based on atoms trapped in an array of optical tweezers and excited into Rydberg levels, which gives rise to hard-core bosons with an effective hopping generated by dipolar exchange interaction.


地球和行星科学  Earth and Planetary Science


Images from the surface of asteroid Ryugu show rocks similar to carbonaceous chondrite meteorites

龙宫表面图像显示其岩石类似于碳质球粒陨石


▲ 作者:R. Jaumann、N. Schmitz、T.-M. Ho、S. E. Schröder, et al

▲ 链接:

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/817


▲ 摘要:

隼鸟2号计划对龙宫的岩石进行采样并将它们送返地球,这能帮助科学家了解太阳系是如何形成的。


隼鸟2号携带着一个被称作“移动式小行星表面侦察器”的着陆器,后者在2018年10月被投放到了龙宫的表面。当该着陆器靠近龙宫表面时,它的相机为龙宫拍摄了照片。


本研究分析了这些图像,结果显示,该小行星覆盖着岩石和巨石,它们分为两类:黑暗粗糙类或明亮光滑类。这两种类型的岩石几乎均匀分布于龙宫的表面。


研究人员表示,这支持这样一种理论,即龙宫是由碎石形成的,这些碎石在某颗母星遭撞击后重新聚拢,从而导致了两类岩石材料。


此外,许多岩石还含有类似于在碳质球粒陨石中所见的小型有色包含物,表明它们可能含有橄榄石这种矿物。


而且,这些图像显示,龙宫表面没有细小的颗粒或尘埃,而这些颗粒或尘埃的积聚预计会见于太空风化之后。


研究人员认为,有一种尚未发现的物理机制能有效清除小行星表面尘埃。


▲ Abstract

The near-Earth asteroid (162173) Ryugu is a 900-m-diameter dark object expected to contain primordial material from the solar nebula. The Mobile Asteroid Surface Scout (MASCOT) landed on Ryugu’s surface on 3 October 2018. We present images from the MASCOT camera (MASCam) taken during the descent and while on the surface. The surface is covered by decimeter- to meter-sized rocks, with no deposits of fine-grained material. Rocks appear either bright, with smooth faces and sharp edges, or dark, with a cauliflower-like, crumbly surface. Close-up images of a rock of the latter type reveal a dark matrix with small, bright, spectrally different inclusions, implying that it did not experience extensive aqueous alteration. The inclusions appear similar to those in carbonaceous chondrite meteorites.


The slow earthquake spectrum in the Japan Trench illuminated by the S-net seafloor observatories

S网海底观测站探知日本海沟的慢地震


▲ 作者:T. Nishikawa、T. Matsuzawa、K. Ohta, et al

▲ 链接:

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/808


▲ 摘要:

通过对俯冲带慢震活动的研究,人们可以深入了解巨型逆断层的滑动行为,为了解今后大地震发生的破裂程度提供重要线索。


利用日本海沟S网海底观测站的数据,研究人员绘制了与极低频地震和慢滑事件同时发生的构造震动的详细分布图。


通过对这些及其他相关观测资料的整理,包括重复地震和地震群资料,研究人员发现缓慢地震分布与日本东北部地震破裂是互补的。


研究人员利用这些观测资料,将日本海沟的巨型逆断层划分为3个具有不同滑动特性的部分。


研究人员发现,东北—冲绳地震的断裂(形成于断裂带中部)是被两个相邻的断裂带终止的。


▲ Abstract

Investigating slow earthquake activity in subduction zones provides insight into the slip behavior of megathrusts, which can provide important clues about the rupture extent of future great earthquakes. Using the S-net ocean-bottom seismograph network along the Japan Trench, we mapped a detailed distribution of tectonic tremors, which coincided with very-low-frequency earthquakes and a slow slip event. Compiling these and other related observations, including repeating earthquakes and earthquake swarms, we found that the slow earthquake distribution is complementary to the Tohoku-Oki earthquake rupture. We used our observations to divide the megathrust in the Japan Trench into three along-strike segments characterized by different slip behaviors. We found that the rupture of the Tohoku-Oki earthquake, which nucleated in the central segment, was terminated by the two adjacent segments.


合作事宜:market@stimes.cn

投稿事宜:tougao@stimes.cn

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