物理学院李绍春课题组首次制备出大面积具有黑磷结构的Sb单层,雕版印刷术发明考

作者:产品资讯    发布时间:2019-12-31 20:53    浏览::

心脏搏动过程中,心肌细胞中钙离子在细胞浆与肌浆网之间穿梭是实现心肌兴奋-收缩耦联的关键步骤,这一过程发生紊乱会导致包括心衰在内的诸多心脏疾病。因此,在由于细胞浆/肌浆网钙穿梭异常导致的心脏疾病治疗中,恢复心肌细胞的钙稳态是一种非常诱人的药物研发策略。心肌细胞中,SERCA2a是一个位于肌浆网上的钙-ATP酶,其主要功能是通过水解ATP介导钙离子从细胞浆到肌浆网内的转运,从而控制心肌舒张。在成熟的小鼠心肌细胞中,大约95%的胞浆钙离子是由SERCA2a重新回收到肌浆网内的。SERCA2a表达量或活性降低都延迟会肌浆网对钙离子的重回收,进而导致肌肉舒张/收缩减弱。因此,以SERCA2a为分子靶点恢复心肌细胞钙稳态、进而治疗心衰等心脏疾病具有非常大的前景。然而,SERCA2a功能调控机制到目前为止尚不十分清楚,而此类调控机制的解析有助于为以SERCA2a为靶点进行药物研发提供新思路。

近日,物理学院李绍春教授课题组利用分子束外延技术首次生长出大面积高质量的黑磷结构的单层Sb,利用扫描隧道显微镜对结构性质进行了表征,并与中国科学技术大学物理系的朱文光教授课题组合作进行了第一性原理计算。该工作以“Van der Waals Heteroepitaxial Growth of Monolayer Sb in Puckered Honeycomb Structure”为题于2018年12月5日在线发表于Advanced Materials(

雕版印刷术是中国对世界最伟大的贡献之一,学界讨论最多、争议最大的是它的发明时间。许多学者曾试图从古代文献中寻找关于印刷术最早的记载,或拘泥于考证《后汉书》中“刊章讨捕”之“刊”是否为刊刻印刷之意,或拘泥于考证唐太宗是否“梓行”过《女则》,或拘泥于寻找古代文献中相关的只言片语,结果却是各说各话,难为学界认同,或是因为新材料的出现而不断修正先前的结论。检讨起来,问题主要出在研究方法上,即把雕版印刷术的发明当作一个纯粹孤立的事件,用乾嘉式的考证方法去寻找最早的史料记载。当然,原因还是对雕版印刷术的发明与社会之间关系的关注和认识不够。其实,学界对我国古代其他重大发现和发明的研究,也或多或少存在着类似的问题。因此,对雕版印刷术的发明特别是它被社会广泛接受、普遍应用过程的检讨以及原因的分析,具有普遍参考意义。

2018年12 月19日,模式动物研究所陈帅教授课题组在国际主流期刊《Circulation Research》上在线发表题为“SPEG Controls Calcium Re-uptake Into The Sarcoplasmic Reticulum Through Regulating SERCA2a By Its Second Kinase-Domain ”的论文。该研究从蛋白质组学入手,发现SERCA2a可以与横纹肌特异性表达的蛋白激酶相互作用;通过一系列深入研究证明了SPEG是SERCA2a的一个全新调控因子,可调控钙离子在细胞浆与肌浆网之间的穿梭。这项研究揭示了心脏钙稳态调控的一种新机制,为钙稳态异常导致的心脏疾病的发病机理及治疗提供了新思路。

由于在光电器件领域的潜在应用价值,单层二维材料的研究是近年来凝聚态领域的研究热点。黑磷由于具有独特的特性曾一度受到关注。然而,黑磷在空气中不稳定,很容易分解。人们一直致力于寻找结构和性质与黑磷类似,但是化学稳定的替代材料。由于As和Sb与P处于同一主族,如果存在黑磷结构,可能会具有相似的性质,化学性质也可能会更稳定。迄今为止,单层的黑磷一直是通过机械剥离的方法获得,直接生长单层黑磷或者相似结构的其它单质材料在实验上几乎不可能。虽然已经有大量的计算工作对黑磷结构的单层Sb进行了预测,但是实验上还没有合成出高质量的单层alfa相Sb。其中一个重要的原因是alfa相的Sb体材料在自然界中并不存在。

雕版印刷并不专指印刷图书

SPEG属于肌球蛋白轻链激酶亚组钙调蛋白激酶丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族的一员。其C端含有两个串联的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域,其第一个激酶结构域与MLCK亚组的其他成员具有更高的同源性。之前有研究表明,SPEG不仅是心脏发育所必需的、也是维持成年小鼠心脏功能所必不可少的;但是到目前为止仍然不清楚SPEG是如何来调控心脏功能的。

该课题组通过分子束外延技术,成功地在WTe2衬底上制备出微米尺度的高质量单层alfa相Sb。单层alfa相Sb的成功制备得益于巧妙地利用了衬底的完美晶格匹配作用。扫描隧道显微镜测量显示多层的Sb薄膜仍然可以保持alfa相的结构。借助于扫描隧道显微谱的准粒子干涉测量技术,该课题组对单层Sb的能带结构进行了表征,发现在费米面处存在线性的色散关系。实验结果与第一性原理的计算结果符合的很好。实验上还发现alfa相Sb薄膜具有非常好的电导。令人意外的是,单层的alfa相Sb非常稳定,可以在空气中存在而不被氧化或分解。因此这种alfa相的Sb单层材料有望在未来的光电领域具有应用价值,更多的新奇性质有待进一步研究。

任何一种对社会产生过重大影响的技术发明,都需要满足一些基本的条件:一是技术本身,包括原理和方法;二是功能,即能满足人们的某种需求;三是能让这种技术得以应用和推广的社会环境。历史上起关键作用的,往往是后两项。一项技术发明,如果不为人们所需要,就谈不上应用,也没有继续存在的价值;如果没有适合的社会经济环境,便得不到进一步的发展。

在本篇研究中,陈帅教授课题组首先通过蛋白质组学分析鉴定出SERCA2a是潜在的可以与SPEG发生相互作用的蛋白。研究人员利用免疫共沉降实验证明无论在体内还是体外,SPEG与SERCA2a都存在相互作用。随后通过在细胞系以及新生大鼠原代心室心肌细胞中进行一系列的实验,他们发现SPEG的第二个激酶结构域可以与SERCA2a相互作用、并直接磷酸化SERCA2a的Thr484位点,进而促进SERCA2a的寡聚化,最终增强SERCA2a转运钙离子的能力。

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“雕版印刷”本义是一种凸版印刷技术,并不专指印刷图书。雕版印刷的技术原理与方法,至迟在秦汉时代就已被我们的祖先掌握了,只是早期印刷的内容不是图书,承印物不是后来常见的纸张。长沙马王堆汉墓出土丝织品的图案中,便有用凸版印制而成的,精美、精细程度丝毫不亚于后世用雕版印刷的图书、图画。广州南越王墓也出土过铜质印花凸版。至于印刷材料,制墨技术早在先秦时代就有了,造纸术至迟东汉时也已成熟,更何况丝织品本身也曾作过书写材料,作为图书的承印物也是可以的。问题的关键是:同样的技术原理,同样的工艺流程,相关制作材料也基本具备,为什么汉代没有用雕版印刷技术印制图书?最根本的原因,是社会需求与社会环境。

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图一: 在WTe2衬底上生长的Afla相Sb单层和多层. Sb外延在WTe2上的示意图; 扫描隧道显微镜形貌图; 原子分辨形貌图; 从单层到多层Sb的dI/dV谱; Sb薄膜的拉曼光谱测量结果。

雕版印刷成为强烈社会需求