【MBAChina网讯】航院李晓雁副教授课题组在力学结构超材料研究取得重要进展

环境学院直博生发文揭示中国工业园区碳排放情况及减排潜力

材料学院朱宏伟教授课题组在多功能石墨烯宏观组装体研究方面取得新进展

材料学院伍晖副教授课题组在熔融锂金属电池研究方面取得新进展

化工系生物育种技术与装备团队在《自然·通讯》发表文章

清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队发表综述文章系统分析各类剥离制备二维材料的方法

航院李晓雁副教授课题组在力学结构超材料研究取得重要进展

清华大学航天航空学院李晓雁课题组，与中国科学院金属所、美国布朗大学以及大连理工大学合作，在《纳米快报》

三维微纳米点阵材料具有优异的力学性能，如低密度、高刚度等。但是，现有的微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间存在着相互约束，即高强度的点阵材料通常表现为脆性，而可恢复性能好的点阵材料的强度较低。这一强度与可恢复性的制约在很大程度上限制了微纳米点阵材料在能量存储和机械致动等领域的应用潜力。

复合纳米点阵材料克服了传统微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间的相互制约

李晓雁课题组提出了一种基于复合材料的设计方案，解决上述难题。该设计方案首先采用了先进的纳米尺度增材制造技术（三维双光子光刻激光直写）直接打印高弹性聚合物材料组成的纳米点阵结构（最小特征尺寸约为260nm），然后通过磁控溅射手段将具有高强度的高熵合金材料均匀镀层在聚合物骨架的表面（厚度仅为14.2-126.1nm），从而实现了“1+1>2”的优异力学性能。该纳米点阵不仅保有聚合物材料的高弹性和良好的可恢复性，而且由于高熵合金纳米镀膜的存在，使得该纳米点阵兼具高强度的优点，从而使得该复合纳米点阵材料克服了早先微纳米点阵材料具有的强度与可恢复性之间相互制约的问题。

（a-h）复合纳米点阵材料的原位电镜压缩实验；

（i,j）复合纳米点阵材料的比强度、单位体积能量吸收与其他微纳米多孔材料的比较

在论文中，研究团队首先展示了该复合纳米点阵材料的制备和微结构及其力学性能表征。通过原位扫描电镜压缩实验证实了复合纳米点阵材料同时具有高的强度和良好的可恢复性。该纳米点阵结构的比强度高达0.027MPa/kg·m，最大压缩应变超过50%仍然可以实现几乎完全恢复，且单位体积能量吸收高达4.0MJ/m

近年来，李晓雁副教授研究团队主要从事新型微纳米结构材料力学行为和力学性能的研究，在相关领域取得了多项重要的成果。相关工作发表在《自然材料》

清华大学航院李晓雁副教授、中科院金属所姚佳昊副研究员、李毅研究员和美国布朗大学高华健教授为本文的共同通讯作者。清华大学航院2013级博士生张璇为本文第一作者。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01241

环境学院发文揭示中国工业园区碳排放情况及减排潜力

7月3日，清华大学环境学院2014级直博生郭扬以第一作者身份在国际环境科学领域顶级期刊《环境科学与技术》

工业园区建设是我国改革开放的一项重大创举，经历近40年的发展，已成为我国工业化和城市化发展的重要支撑。目前，全国共有国家级和省级工业园区2500余家，贡献了全国一半以上的工业产值。为应对气候变化，我国承诺在2030年左右达到碳排放峰值。我国高度重视工业园区的低碳发展，在《工业绿色发展规划（2016-2020年）》中提出部分园区率先达到碳排放峰值。

图1 工业园区碳排放及减排潜力

本研究基于生命周期视角，定量揭示了我国200余家国家级工业园区的碳排放特征，涵盖了燃料燃烧导致的直接排放和能源生产相关的间接排放，并进一步量化了园区能源消费升级的碳减排潜力。研究发现，这200余家园区在2015年贡献了全国GDP的11%和能源消费总量的10%，其直接和间接碳排放分别达10.4亿吨和1.8亿吨二氧化碳当量，二者约占全国碳排放总量的11%。通过优化能源消费，这200余家园区在2030年的碳减排潜力为1.1亿吨二氧化碳当量，其中提升天然气消费占比、降低电网碳排放因子和改善工业燃煤锅炉效率为最显著的减排措施。本研究可为工业园区的能源结构优化、能源基础设施升级和温室气体减排等管理决策问题提供科学依据。

图2 工业园区碳排放空间分布

清华大学环境学院清洁生产与生态工业研究中心长期致力于中国工业园区绿色发展研究，在园区物质能量代谢调控、资源环境效率提升及绿色发展系统优化等方面开展了长期深入的研究和实践。

清华大学环境学院田金平副研究员为本文通讯作者，环境学院陈吕军教授和科研助理臧娜、高洋三人为本文合作作者。本文第一作者郭扬主要研究工业园区温室气体减排，已在《环境科学与技术》发表论文3篇。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.8b00537

材料学院朱宏伟教授课题组在多功能石墨烯宏观组装体研究方面取得新进展

7月3日，清华大学材料学院朱宏伟教授课题组在《先进材料》

石墨烯是一种具有优异力学、电学、热学和光学性能的二维碳材料。石墨烯的高效制备及宏观组装对其规模应用具有重要意义。目前，石墨烯宏观组装体的常规制备方法需要严格的反应条件，且一旦成形后，不可再被重塑或回收。因此，在需要复杂形状石墨烯结构与器件的应用场合，可任意塑性的石墨烯宏观体尤为重要。

为解决上述问题，朱宏伟教授课题组将具有丰富官能团的氧化石墨烯加入仿生矿化凝胶体系，形成氧化石墨烯、无定形碳酸钙纳米粒子、聚丙烯酸交联网络结构（如图）。该复合材料在湿润状态下具有柔性、延展性及可拉伸性，可实现复杂造型。在干燥条件下保持原有造型，具有高强度、韧性及硬度。通过水分控制实现了两种状态的可逆转变。此外，该复合材料具有极佳的重塑性和自愈合能力，可进一步修饰或加工以满足各种特定的应用需求（如能源储存、促动器、传感器）。该方法具有简便、高效、低成本等特点，可推广至其它材料的灵活组装。

氧化石墨烯宏观组装体的形成机理及造型展示

近年来，朱宏伟教授研究团队专注于低维材料的可控制备、性能表征及应用技术开发，在结构设计、柔性器件、环境/能源等领域取得了多项重要成果。相关工作发表在《化学学会评论》

本文第一作者为清华大学材料学院2014级博士生林舒媛，通讯作者为朱宏伟教授和日本东京工业大学芹泽武教授。

论文链接：

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

材料学院伍晖副教授课题组在熔融锂金属电池研究方面取得新进展

7月2日，清华大学材料学院伍晖副教授课题组与斯坦福大学合作，在《自然能源》Li

随着风能、太阳能等间歇性可再生能源的大规模应用与智能电网的发展，大规模储能系统的研究得到了越来越多的关注。可充电电池具有能量效率高，成本可控，不受地形空间限制等优点，应用于储能领域具有较大的潜力。储能电池需要满足高功率、高安全性、长寿命和低成本等要求，新一代储能电池的开发，一直是电池研究领域的热点。LME电池是大规模储能电池的候选方案，在这一类电池体系中，如何降低电池的工作温度、减少电池的成本、提高电池的可靠性和安全性，是LME电池发展的主要挑战。

为解决上述问题，伍晖副教授课题组与美国斯坦福大学崔屹教授课题组合作，将固态电解质引入LME电池（如图），取代传统的熔融盐电解质（通常需要300℃以上的运行温度），将LME电池的运行温度降低至240℃。LLZTO固态电解质在240℃工作时具有远高于室温条件下的离子电导率，可以实现在大电流密度下的充放电，且可以有效抑制电池自放电和副反应，提升电池的库伦效率。这种新型电池系统未来有望在大规模储能系统中得以应用。

基于固态电解质的熔融锂电池的示意图

近年来，伍晖副教授研究团队专注于功能材料的制备及其在能源存储、柔性电子和环境等领域的研究与开发，在相关领域取得了多项重要成果。相关工作发表在《自然能源》

清华大学材料学院伍晖副教授和美国斯坦福大学崔屹教授为本文的通讯作者。清华大学材料学院访问学生金阳和材料学院2013级博士生刘凯为本文的共同第一作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-018-0198-9

化工系生物育种技术与装备团队在《自然·通讯》发表文章

6月26日，清华大学化工系生物育种技术与装备团队在《自然·通讯》（

经过工程化改造的细菌免疫CRISPR系统（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）已经发展成为具有广泛应用的基因组编辑工具。近年来，科学家逐渐展示了其在高通量基因功能筛选方面的应用潜力：首先对待筛编码基因进行敲除或敲低，并以细胞生长或特定标记作为一个表型指标，将靶定待研究表型相关基因的单导向RNA(sgRNA)文库富集出来，并利用高通量测序技术定量每个基因的功能。目前这一策略主要被用来进行高等真核生物的高通量功能基因组学研究。由于细菌和高等真核生物基因组的系统性结构差异，在细菌中使用这种方法的高通量功能筛选尚未见报道。在这项最新研究工作中，清华大学研究团队构建了大肠杆菌全基因组范围的sgRNA文库，结合CRISPRi基因敲低技术，对于这一模式微生物的一系列重要基因组学问题开展了大规模研究。

利用合成sgRNA文库和CRISPRi基因敲低技术进行高通量细菌功能基因组学研究

研究团队首先证明了这一方法可以有效地鉴定出大肠杆菌的已知必需基因，同时也对必需基因筛选结果中和已知数据库不吻合的部分基因进行了进一步实验验证，更新了对于该模式微生物必需基因的认识。此外，他们还发现该方法可以有效地研究细菌中RNA编码基因的功能。尽管这类基因近年来被发现广泛的参与细菌的重要生物学过程，但是由于传统细菌高通量遗传分析方法本身的局限，这类基因受到了普遍的忽视。有趣的是，利用该方法绘制的转运RNA（tRNA）必需性图谱，研究团队发现了大肠杆菌中有六个非必需的tRNA编码基因，且不同于tRNA普遍的多拷贝特性，这六个tRNA编码基因都以单拷贝形式存在于大肠杆菌基因组中。

新型CRISPRi混合筛选鉴定细菌RNA编码基因功能

利用随机转座子插入文库的混合筛查（Tn-seq）是目前应用最为广泛的高通量细菌系统遗传分析手段。研究团队以已知必需基因为标准，系统分析了新建立的CRISPRi敲低筛选方法相比于转座子测序的性能优劣。结果表明，在类似文库规模条件下，CRISPRi敲低筛选方法相比于随机转座子插入文库的混合筛查方法，能够以更低的假阳性率捕获更多的已知必需基因，且编码区域长度越短这一优势越为明显。

研究团队还以氨基酸代谢为例，通过同工酶功能、色氨酸途径环境响应等案例展示了本研究建立的CRISPRi方法定量解析微生物代谢网络结构的能力。同时，通过对于大肠杆菌全基因组范围内对于糠醛和异丁醇耐受性图谱的定量分析，发现了诸多已知和未知的耐受性基因位点，为菌株的工程化改造提供了基础。

该工作第一次报道了利用CRISPRi方法结合高通量混合筛选和测序对于细菌的功能基因组学进行研究，并通过对于结果的系统分析提出了适用于细菌基因组结构的sgRNA文库设计原则。值得一提的是，为了方便广大研究者使用这一方法，研究团队还开发了软件工具，可以一站式的进行sgRNA文库的设计和筛选后的测序数据分析。

化工系张翀副教授为本文通讯作者，生物育种技术与装备团队首席邢新会教授，信息国家研究中心、自动化系谢震研究员为本文共同作者，他们同时为清华大学合成与系统生物学研究中心核心成员。清华大学化工系博士生王天民、关长阁为本文的共同第一作者。北京合生基因科技有限公司刘兵亦对此文给予了一定的帮助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04899-x

清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队发表综述文章系统分析各类剥离制备二维材料的方法

6月17日，清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队在英国皇家化学学会旗下的《化学学会评论》（

二维材料相关研究近年来呈现出爆发式的增长趋势，这使得插层和剥离具有层状结构的块体材料以制备二维材料成为研究热点。相比于自下而上的制备方法，通过块体层状材料的剥离制备二维材料及其分散液的方法具有成本低、可大规模生产和与溶液加工兼容的优势。基于这种自上而下剥离的方法制备的二维材料及其分散液具有广阔的应用前景，包括电子、光电子、能源转换和储存、界面功能涂层等。

二维材料分散液的制备、组装及其在各类器件中的应用

在过去几年中，自上而下剥离块体层状材料制备二维材料分散液研究取得了迅速的发展。然而，要实现二维材料分散液在各领域的实际应用，仍然存在巨大的挑战。有鉴于此，文章提出了以下几点该领域可能的重要研究方向和机遇：(1) 大规模制备二维材料的方法；(2) 独特二维材料的剥离；(3) 剥离制备的二维材料的异质结组装；(4) 非石墨烯二维材料的宏观体组装；(5) 二维材料用作模型电催化剂；(6) 金属性二维材料在能源转换和储存中的应用；(7) 应用导向二维材料的合理选择和剥离。

图1. 剥离层状材料制备二维材料的方法总结

图2. 二维材料分散液组装薄膜的方法总结

图3. 二维材料电催化剂的重要性及提升催化性能的策略

该综述文章共同第一作者是清华-伯克利深圳学院（TBSI）博士后蔡兴科、2017级博士生罗雨婷，文章通讯作者为成会明院士和刘碧录研究员。

《化学学会评论》是英国皇家化学会的综述期刊（影响因子：38.618），与美国化学会的《化学评论》（

论文链接：

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

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