两篇Science!西安交大、清华、郑州大学等发表重要研究成果

原标题:两篇Science!西安交大、清华、郑州大学等发表重要研究成果

今天(7月5日),国内高校发表两篇Science。其中一篇由清华大学和郑州大学等单位合作发表,一篇由西安交通大学等单位合作发表。

▎西安交通大学等单位发表一篇Science

7月5日凌晨,《科学》杂志刊发西安交通大学单智伟教授团队最新研究成果:塑性差并不是镁的固有属性,通过提高流变应力(如通过细化晶粒或提高应变速率)来促进位错形核和滑移,可能是行之有效的增塑方法。

作为最轻质的金属结构材料,镁在航空航天、汽车、高铁、电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。然而,相比于传统的金属材料,镁的塑性较差,型材和零件的变形加工困难,工艺成本高。这严重制约了镁作为结构材料的广泛应用。

当前主流观点认为,塑性差是镁的本征属性,原因是镁中的锥面位错(一种晶体缺陷)会自发地分解为不可滑移的结构,无法协调塑性变形。因此,提高塑性需要通过添加某些特定的元素来调节锥面位错的行为。但也有一些学者持不同观点,认为锥面位错是有效的塑性变形载体,只要能促进锥面位错的形核和滑移,镁的塑性就可以提高。上述争议直接影响到下一代高塑性镁合金的设计思路和技术路线,因而成为一个急需解决的科学难题。然而,由于锥面位错的几何形态和结构非常复杂,很难通过实验来全面地解析。此前的研究通常以计算机模拟为主,相关观点和推论均缺乏有力的实验证据。

图1 亚微米尺寸镁的大塑性变形;图2 实验观测到的塑性变形是由锥面位错滑移主导的;图3 原位电镜捕捉到单根锥面位错的滑移;图4 三维图像重构帮助解析锥面位错的形态及其滑移面

针对上述难题,西安交通大学单智伟教授团队经过广泛调研和深入讨论,决定采用原位电镜纳米力学测试技术来解决样品几何形变、微观结构演化以及力学曲线三者之间一一对应的难题;选取合适的加载方向来消除其它位错的干扰;采用梯度样品设计来解决捕捉和表征单根位错难的问题;运用三维图像重构技术来解决位错滑移面不易确定的难题;并通过对比力学曲线的方式澄清了电子束影响的问题。

得益于这些有针对性的实验设计,研究团队以令人信服的结果,证明了最起码对亚微米尺度的纯镁而言,各种类型的锥面位错(刃、螺、混合型)不仅可以滑移,而且可以导致非常大的塑性变形。与块体材料相比,微纳米样品呈现出更高的屈服强度和流变应力。

因此,研究团队推测高应力促进了锥面位错的形核和滑移,进而提高了测试样品的塑性。通过进一步深入分析,不仅确定了位错的滑移面,而且还清晰地观察到锥面位错的交滑移、位错偶极子的形成以及位错往复运动等此前尚未报道过的重要现象。

该研究为完善镁的塑性变形理论提供了重要的实验数据,并为高塑性镁合金的开发带来新的启发。

单智伟教授与团队成员一起讨论实验结果

西安交通大学青年教师刘博宇博士为本论文的第一作者,博士研究生刘飞为共同第一作者,西安交通大学单智伟教授、澳大利亚莫纳什大学聂建峰教授和美国内华达大学李斌教授为共同通讯作者。参与该工作的科研工作者还包括西安交通大学张磊教授、博士研究生杨楠、西安科技大学翟啸波博士、美国麻省理工学院李巨教授、约翰霍普金斯大学马恩教授、内华达大学博士研究生杨洋。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、111计划2.0、中国博士后科学基金、陕西省重点产业创新链、西安交大青年拔尖人才计划和基本科研业务费等项目的资助。

近年来,单智伟研究团队依托西安交通大学材料学院、金属材料强度国家重点实验室、西安交通大学微纳中心和陕西省镁基新材料工程研究中心,开展了一系列富有成效的基础研究、技术攻关和成果转化。

2014年,发现了镁中不同于位错和孪晶的室温变形新机制,成果发表于《自然·通讯》,并荣获美国TMS学会镁分会年度最佳基础研究论文奖;系统研究了镁合金中析出相形貌对孪晶行为的影响,并进而发展了一种判断镁合金强塑性的简单判据,成果发表于《材料科学技术》(封面推荐,2018);

发现通过活化二氧化碳,可以在室温下将镁表面的氧化层或腐蚀产物转变成一种致密的保护膜层,不仅可显著提升镁及其合金的抗腐蚀性和强韧性,而且大幅提高镁的抗氧化能力,从而发明了一种绿色、低成本镁合金涂层新技术,成果发表于《自然·通讯》(2018),并获得国家发明专利授权;

针对原镁冶炼工艺落后、自动化程度低和环境污染严重的现状,提出并验证了原本需要在真空条件下进行的原镁冶炼可以在常压进行,并与华西能源公司联合攻关,开展了原镁常压生产的工业化装置的开发。

针对原镁杂质元素种类多、含量高、波动大的痼疾,从原子机理出发,开发出全新的工艺流程,可在不显著增加成本的情况下,从料球直接生产出99.99%以上纯度的高纯镁,革新了此前领域内普遍认为皮江法(硅热还原法)不能直接生产高纯原镁的认知。上述成果的推广和应用,有望从整体上提升镁基产品质量和性能。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/365/6448/73

▎清华大学、郑州大学等单位合作发表一篇Science

2019年7月5日,郑州大学孙莹璞,清华大学颉伟及Xu JiaWei共同通讯在Science 在线发表题为“Resetting histone modifications during human parental-to-zygotic transition”的研究论文,该研究使用CUT&RUN来观察人类早期发育中关键组蛋白标记的重编程。 与小鼠不同,H3K4me3在人卵母细胞的启动子中主要表现出规范的模式。 受精后,pre-zygotic genome activation(ZGA)胚胎在富含CpG的调节区域中获得许可的染色质和广泛的H3K4me3; 相比之下,抑制性H3K27me3经历经历全基因组缺失。 然后,富含CpG的调节区在ZGA上分解为活性或抑制状态,随后在发育基因处恢复H3K27me3。 最后,通过结合染色质和转录组图,该研究揭示了早期谱系规范期间的转录环路和不对称H3K27me3图谱,该研究结果揭示了连接人类亲本-合子表观遗传转变的启动阶段。总之,该研究揭示了连接亲本表观基因组和合子表观基因组的保守和多样的重编程模式, 该研究为人类早期发育中表观遗传重编程的未来研究铺平了道路。

组蛋白修饰对于调节发育中的基因表达是必不可少的。不同类型的组蛋白修饰具有不同的功能并确定不同的基因组元件:例如,启动子上的H3K4me3总是与转录起始有关,H3K27ac广泛用作启动子和增强子的活性标记。催化这些标记的酶的突变经常导致小鼠的胚胎致死率并且与人类疾病有关。

受精后,终末分化的配子经历剧烈的表观遗传重编程,成为全能的受精卵。在小鼠中,几个组蛋白标记显示卵母细胞和早期胚胎中的非规范分布和功能:H3K4me3和H3K27me3均在小鼠卵母细胞中显示广泛的远端结构域,可以简单地遗传到早期胚胎中并调节合子基因表达。然而,人们对人类早期发育中的这种过程知之甚少。

H3K4me3在人类早期发育中的动态变化

在这里,研究人员使用CUT&RUN来观察人类早期发育中关键组蛋白标记的重编程。 与小鼠不同,H3K4me3在人卵母细胞的启动子中主要表现出规范的模式。

H3K27me3在人类早期发育阶段重置

受精后,pre-zygotic genome activation(ZGA)胚胎在富含CpG的调节区域中获得许可的染色质和广泛的H3K4me3;相比之下,抑制性H3K27me3经历经历全基因组缺失。然后,富含CpG的调节区在ZGA上分解为活性或抑制状态,随后在发育基因处恢复H3K27me3。最后,通过结合染色质和转录组图,该研究揭示了早期谱系规范期间的转录环路和不对称H3K27me3图谱,该研究结果揭示了连接人类亲本-合子表观遗传转变的启动阶段。

在人类亲本到合子转变期间组蛋白修饰的动态重编程

总之,该研究揭示了连接亲本表观基因组和合子表观基因组的保守和多样的重编程模式。 该研究为人类早期发育中表观遗传重编程的未来研究铺平了道路。

原文链接:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/07/02/science.aaw5118

(本文转自:Science、西安交通大学、iNature公众号。文章为作者独立观点,不代表青塔立场,转载请联系原作者。)返回搜狐,查看更多

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