材料学院研究团队报道高储能密度无铅介电材料新进展

航院王兵团队在体相纳米气泡稳定机制研究上取得新进展

生命学院魏迪明课题组报道基于三螺旋的DNA变构装置的开发

交叉信息研究院曾坚阳课题组成功开发多肽和蛋白质相互作用的深度学习模型

电机系合作研发的金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目并网试验成功

深圳国际研究生院何宏辉、马辉团队合作揭示生物医学和临床应用的偏振光学关键问题

天文系领衔揭示早期宇宙星际间重元素起源之谜

材料学院研究团队

报道高储能密度无铅介电材料新进展

近日，清华大学材料学院南策文院士、林元华教授研究团队在无铅储能介电材料研究中取得重要进展，通过对弛豫铁电薄膜材料的稳定的超顺电设计，实现了介电储能性能的显著提升，达到152J/cm

介电储能电容具有充放电速度快、功率密度高、耐压能力强等特性，在能源电力、电子电路系统中具有广泛应用。但介电电容的能量密度相对较低，开发具有高储能密度、高效率的介电材料，是实现储能器件小型化、集成化的核心，也是当前材料科学研究的一个前沿和热点。团队前期研究成果表明，具有纳米铁电畴结构的弛豫铁电薄膜是目前最有潜力的材料体系之一，已实现~100J/cm的储能密度和60~80%的储能效率。然而电畴翻转能垒引起的损耗，限制了相关储能性能的进一步提升。

在这一工作中，团队提出超顺电态设计以抑制介电损耗、提升储能性能。与典型铁电材料（在相变温度以上电畴直接消失）不同，弛豫铁电体具有弥散的相变过程，在“平均相变温度”（对应介电常数最大值）以上很宽的温区内仍可以保持一定的极性电畴结构。在这一温区（即超顺电态）中，电畴体积相对于低温态进一步减小、耦合减弱，其翻转能垒可降至与热扰动同一量级，电畴因此可以更容易地发生极化翻转，从而显著抑制损耗。采用相场计算对多种弛豫铁电成分的模拟结果表明，在超顺电态温区中储能密度和效率可以实现综合优化（图1）。

图1.弛豫铁电中超顺电态设计及其介电、极化、储能性质的相场模拟

团队设计制备了一系列Sm掺杂BiFeO-BaTiO（Sm-BFBT）的弛豫铁电薄膜(厚度约0.6μm)，通过Sm离子引入的局域化学、结构和电学异质性，降低相变温度，获得满足实际应用需求的室温超顺电态（图2）。宽温区二阶非线性光学（SHG）探测和高分辨扫描透射电子显微镜（STEM）等手段，证明了室温超顺电薄膜中仍保持若干个晶胞大小的极性电畴结构和畴间耦合（图3）。由此，在成分优化的室温超顺电薄膜中获得损耗的显著抑制，并保持了较高的极化，从而实现了152 J/cm的高储能密度和优异的储能效率（>90% @3.5 MV/cm; >77% @5.2 MV/cm）。同时，薄膜表现出优异的充放电循环可靠性（一亿次循环后性能衰减小于5%），在-100－150oC温度范围内亦保持性能稳定。

图2. Sm-BFBT超顺电薄膜的介电、极化和储能性能

图3. SHG和STEM手段探究超顺电的微观结构机理

相关成果以“超顺电态弛豫铁电中的超高储能密度”（Ultrahigh energy storage insuperparaelectric relaxor ferroelectrics）为题，于10月1日在线发表于国际著名期刊《科学》（

航院王兵团队在体相纳米气泡

稳定机制研究上取得新进展

体相纳米气泡具有尺寸小、比表面积大、表面负载电荷等独特物理性质，其在工业清洁、物质转化、医学成像、医疗健康、污水治理以及农业生产等领域有广阔的应用前景，近年来备受学术界、工业界和医学界的关注。虽然纳米气泡在各个领域的应用取得快速进展，并且成效显著，但国际上始终没有一种理论能够对它的稳定性机制给出完美解释。清华大学航院王兵团队首次报道了几纳米至百纳米尺度体相纳米气泡的分子动力学模拟结果，揭示了气泡内部及气液界面特性，提出并检验了一种纳米气泡稳定性判据理论。

悬浮在液体中的纳米气泡始终处于布朗运动，其很多物性难以用实验手段直接探测，故对其稳定机制的解释尚缺乏共识。王兵研究团队在国家自然科学基金的支持下，采用分子动力学模拟的手段，统计揭示了不同尺寸体相纳米气泡的物性，包括气泡内密度、压强、表面电荷、表面分子结构，以及气体扩散特性等。在获得这些物性的基础上，研究团队进一步对纳米气泡涉及力学与电学效应的界面力平衡，进行了静力学分析，对气泡内外气体互换扩散平衡进行了动力学分析，进而结合理论假设分析了其维持上述平衡状态的机制，从而提出了体相纳米气泡稳定性判据。

研究表明，体相纳米气泡内部气体处于高密度（数十kg·m）状态；气泡界面负载双层电荷，其中内层为正电荷，外层为负电荷，表面电荷的静电斥力可以部分抵消气液界面的表面张力；气液界面处的氢键结构则遭到一定程度破坏或削弱，降低了界面的表面张力；上述特性皆有利于纳米气泡保持稳定。理论分析表明，稳定纳米气泡所处的悬浮液中，气泡约束的气体分子数量应大于溶解于液体中的自由气体分子数量的50%。此外，溶解气体的过饱和性应是纳米气泡的稳定维持的必要条件。本研究成果有助于推进体相纳米气泡的深度精准应用。

体相纳米气泡示意图及稳定性判据

9月28日，王兵研究团队在《朗缪尔》（该文通讯作者为航院长聘教授王兵，第一作者为其指导的博士生高瞻，作者还包括研究团队的孙卫涛副研究员和北京理工大学吴汪霞博士后。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.1c01796

生命学院魏迪明课题组

报道基于三螺旋的DNA变构装置的开发

自问世以来，DNA纳米结构凭借其优异的可编码性，已在诸如药物递送、环境监测、生物计算、智能材料等众多领域显现出可观的应用前景。与此同时，在DNA纳米结构设计的不断探索中，人们对结构的复杂性、灵活性及功能化等方面的认识愈渐深入，相关设计理念和设计经验得以不断积累和丰富。众多特殊的核酸结构也开始被应用于纳米元件的设计中，如三螺旋和四联体等。这些非常规的核酸结构具有着与双螺旋截然不同的理化性质，一定程度上扩充了核酸纳米结构设计的工具库。

变构调节是自然界经漫长时间进化出来的一种在生命活动中非常普遍、高效的调节方式。对于许多在生命活动中具有重要作用的酶来说，其作用于底物的活性会受到其他配体的调节。一般来讲，这些配体通过结合到酶的某个位点（变构位点，不同于正构位点。）从而使酶的构象发生变化以调节酶与其底物的结合，增强或抑制酶的活性。正因其调节的可控性，变构调节已经被应用于核酸纳米设计中以实现底物的装配、释放以及动力学控制等目的。然而迄今为止，从调控机理而言，这些人工设计的核酸变构元件的复杂程度要远逊于天然进化出的变构酶。究其原因，一是配体种类有限（特定的蛋白或小分子），二是完成方式单一（DNA双螺旋的打开或关闭）。

近日，清华大学生命学院魏迪明课题组发文报道基于三螺旋的DNA变构装置的开发。在本研究中，作者设计了以三螺旋作为变构位点的Z-switch结构，三螺旋是在普通的Watson-Crick双螺旋的基础上，第三条链以Hoogsteen碱基配对的方式形成三股螺旋。第三条链（TFO）作为配体参与变构调节。TFO与变构位点的结合可以调节Z-switch结构的活性位点进而影响其自组装活性。作者通过研究多组不同初始状态的Z-switch结构变构调节前后的构象变化，进行系统的筛选和比对，得到理想的变构模型。该结果与理论预期高度吻合，同时该结果在不同Z-switch结构中的成功应用也确定了其鲁棒性和可推广性。

图1.基于三螺旋设计DNA变构元件——Z-switch。TFO链作为变构调节配体，可改变Z-switch的构象，调控活性位点a*和b*，从而调控Z-switch的自组装活性。这一模型经验证不依赖于特定种类的Z-switch，可进一步推广到其它种类的Z-switch。

接下来，作者应用该变构调节策略模仿一些天然蛋白，成功地实现了多种变构调节配体的共调节模式，并且实现了对不同反映途径的选择性控制。此外，由于作者选用TFO作为变构调节配体，利用其相对其他配体（蛋白或小分子）而言优良的可编码性，得以实现更为灵活的调节方式，包括经典布尔逻辑门等的逻辑运算基础元件以及较为复杂的运算网络。

图2.基于三螺旋的Z-switch变构元件在逻辑运算中的应用。基于TFO的序列丰度，多种TFO链可作用于同一Z-switch变构元件或同一系统，以实现相应功能(逻辑门运算或较为复杂的函数运算)。

本研究拓展了变构调节在核酸纳米结构中的应用，建立了新的调节模型，确立了筛选流程，丰富了调节机理和完成方式，对今后DNA变构元件的研究以及应用具有重要的意义。

该研究成果由生命学院魏迪明分子设计课题组（MADlab）完成，论文题为“基于三螺旋DNA设计纳米变构元件”（Rational design of allosteric nanodevices based on DNA triple helix），于10月4日在线发表于《美国化学学会志》（

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07824

交叉信息研究院曾坚阳课题组

成功开发多肽和蛋白质相互作用的深度学习模型

近日，清华大学交叉信息研究院曾坚阳课题组成功开发了一个基于序列的多尺度预测多肽和蛋白质相互作用的深度学习模型。该研究为多肽和蛋白质相互作用的机制提供了一个高效的预测框架，可以在为多肽药物预测结合靶点的同时，识别多肽序列上的结合位点。

多肽和蛋白质的相互作用在生物体内起到关键的作用，参与多种细胞过程，比如信号传导、基因表达调控、细胞增殖和凋亡。识别和解析多肽和蛋白质的相互作用及其机制，有助于为多肽药物精准定位靶点，并为多肽药物的化学修饰提供信息，从而加速多肽药物的研发进程。

目前主流的计算框架，分别基于序列的和基于结构来识别蛋白质和多肽配体的相互作用。然而，这些方法主要集中于识别蛋白质表面与多肽结合结合的残基，无法直接提取多肽序列中的结合残基。此外，基于结构的方法需要用到三维结构信息，但通过传统的实验方法测定得到的蛋白质-多肽复合物的结构非常昂贵且耗时。在本项研究中，作者提出了名为CAMP的深度学习框架，用于同时预测多肽-蛋白相互作用（PepPIs）和识别多肽序列上的结合残基。

CAMP的模型框架图

CAMP将蛋白质和多肽的氨基酸序列、二级结构、理化性质、序列灵活性得分和蛋白质的PSSM矩阵作为模型输入，利用卷积神经网络（CNN）模块和自注意力机制（self-attention）来预测给定的肽-蛋白对之间是否存在相互作用，同时识别多肽序列上的结合位点。

实验结果表明，在多种数据划分的设定下，CAMP在基准数据集上的表现均优于现有的方法。此外，测试结果和案例分析表明，CAMP可以准确地预测多肽序列上的结合残基，从而为进一步理解多肽与蛋白质的结合机制提供有效的帮助。最后，作者进一步研究了CAMP在三个相关任务中的应用潜力，即多肽-蛋白结合域相互作用预测（peptide-PBDinteraction）、结合亲和力评估和多肽的虚拟筛选。结果表明，CAMP在这三个相关任务上均获得出色表现。

综上所述，作者开发了一个多层次的多肽-蛋白相互作用预测的深度学习框架（CAMP），以同时预测多肽和蛋白质之间存在相互作用和识别多肽序列的结合残基。该方法使用多通道特征提取器分别处理数值特征和分类特征，以避免多源特征的不一致性。此外，作者通过和现有方法比较，验证了CAMP拥有更优的性能，同时展示了CAMP在peptide-PBD相互作用预测、多肽-蛋白质的亲和力评估和多肽的虚拟筛选方面的应用潜力。这些结果表明，CAMP可以提供准确的肽-蛋白相互作用预测，并有助于研究者理解多肽与蛋白质结合的潜在机制。

相关成果“一个多层次多肽-蛋白相互作用预测的深度学习框架”（A deep-learning framework for multi-level peptide–protein interaction prediction）于近日在《自然·通讯》（

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25772-4

电机系合作研发的

金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目并网试验成功

9月30日，由清华大学作为主要技术研发方的世界首个非补燃压缩空气储能电站——江苏金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目并网试验成功，向国家电网发出我国首个大型压缩空气储能电站第1度电，标志着我国新型储能技术的研发和应用取得重大进展。中国科学院院士、清华大学电机系教授卢强，中盐金坛盐化有限公司总经理管国兴、华能江苏能源开发有限公司董事长曹庆伟在现场见证了这一重要时刻。

清华大学压缩空气储能技术团队

作为技术研发方，清华大学电机系组建了专业的技术研发团队为该项目提供技术支持，并由清华大学电机系教授、青海大学副校长梅生伟出任项目首席科学家，清华大学电机系助理研究员薛小代出任项目总工程师。依托清华大学非补燃先进绝热压缩空气储能技术，项目申请专利百余项，建立了具有完全自主知识产权的技术体系；研发了高负荷离心压缩机、高参数换热器、大型空气透平等核心设备，实现了主装备完全国产化。在“中国标准”创建方面，该项目发布了我国首个压缩空气储能电站KKS编码标准、立项压缩空气储能首个国家标准、首个电力行业标准以及三个团体标准，逐渐形成中国压缩空气储能标准体系。

电站集控室

该项目于2017年获国家能源局立项，是我国在压缩空气储能领域唯一国家示范项目，也是国家能源局和江苏省重点推进项目，由中盐集团、中国华能和清华大学共同开发，一期工程发电装机60兆瓦，储能容量300兆瓦时，远期建设规模1000兆瓦。

电站储热系统

储能是构建新型电力系统、实现“碳达峰、碳中和”目标的关键技术之一。地下盐穴具有储气容量大、密封性好、安全性高的天然优势，可为压缩空气储能提供优良的储气条件。盐穴压缩空气储能是一种利用地下盐穴储气的大容量物理储能技术，其利用低谷电将空气压缩到盐穴中，用电高峰时再释放压缩空气发电，从而实现电网削峰填谷，提升电网调节能力和新能源消纳能力，具有容量大、寿命长、安全环保等优势，是一种极具发展前景的大规模清洁物理储能技术。

面对新型电力系统和能源互联网对大规模储能技术的需求，卢强、梅生伟团队历经十年攻关，提出了基于压缩热回馈的非补燃先进绝热压缩空气储能技术，攻克了压缩、蓄/换热、大容量储气、高效膨胀发电以及储网控制调度等关键技术瓶颈，为“金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目”的顺利实施奠定技术基础。

梅生伟（右）在工程现场

据梅生伟介绍，此次并网试验成功验证了盐穴储气、储热换热、新型空气透平发电系统所有首台套设备的研制成果，为非补燃压缩空气储能技术的商业化应用奠定了基础，是压缩空气储能技术研发和应用的重要里程碑，将为我国压缩空气储能乃至能源产业的可持续发展提供强有力支撑。

透平发电系统

作为世界首个盐穴非补燃压缩空气储能电站，该项目所有主设备均为国产首台套，既要面临设备研发难题，又要面对首次集成困难，更有电站建设和运维缺乏标准、毫无经验可循的巨大挑战。面对挑战和重任，项目承担方充分发挥各自优势，中盐集团利用先进的造腔和注采技术，承担地下储气库建设；中国华能发挥电力专业技术优势，承担项目的建设和运维。

电站全景

作为清华大学产学研合作的典范，该项目得到了国家能源局、江苏能源局、国家电网、常州市及金坛区政府等单位的大力支持和协助。通过本项目将建成世界首个大型非补燃压缩空气储能电站，打造新型储能行业标杆，实现压缩空气储能技术试验、标准创建、工程及商业运营示范三大目标；同时加快推进金坛二期压缩空气储能项目建设工作，也将为构建以新能源为主的新型电力系统提供储能新方案，为我国早日实现“碳达峰、碳中和”目标贡献力量。

深圳国际研究生院何宏辉、马辉团队

合作揭示生物医学和临床应用的偏振光学关键问题

作为一种电磁波，光具有强度、波长、相位和偏振等基本特性。其中光的偏振属于矢量性质，其高维度的特性决定了偏振的测量和表征较为复杂。由于人眼可以直接或间接观察到光的强度、颜色（波长）、相位信息，因此基于上述基本属性的光学方法发展历史较为悠久，在生物医学领域应用广泛。与此相比，人眼不具有感知偏振的能力，因此基于偏振的光学方法发展相对较晚。然而近年来随着新的精密偏振器件、探测器，及测量优化校准方法不断出现，偏振光学方法具有的独特优势正在引起关注。如今，偏振光学已在多个领域发挥着重要作用，覆盖从基础物理如量子物理研究，到各类应用如材料表征以及生物医学检测等多个方面。因其具备携带的信息量大、无需外源性标记、兼容各类已有光学仪器等诸多优势，偏振光学方法在生物医学研究及临床实践中得到越来越广泛的应用。

图1.光的偏振性质及生物样品的作用

近日，清华大学深圳国际研究生院何宏辉、马辉团队与牛津大学何超、马丁·布斯（Martin Booth）团队应邀撰写评述文章，简要介绍了偏振光学基础，系统总结了在生物医学研究中偏振测量及成像技术的应用现状，面向生物医学样本的偏振信息提取和参数分析的方法，并展示了在薄样本透射偏振成像/厚组织反射偏振成像中的典型应用，以及和其他技术结合的多模态生物医学检测方法等。综述文章讨论了若干近期的偏振成像测量技术突破，展望了偏振光学方法在生物医学研究领域未来的发展方向。

图2. 穆勒矩阵及其内部“编码”的物理信息

通过介绍偏振光学应用于生物医学领域的基本数学工具，作者将生物医学偏振计和椭偏测量术的发展进行对比，总结了复杂散射体系与非散射体系偏振测量需求的差异。考虑到生物医学样品，如组织、细胞等常常具有较为显著的散射特性，因此常用一个四维斯托克斯矢量描述光的偏振状态，此时入射光与样品的散射相互作用可由一个4×4偏振变换矩阵-即穆勒矩阵表征，其第一个矩阵元代表我们熟知的非偏振光学特征，其余阵元反映样品的不同偏振光学属性。由此可见，偏振光学方法可提供样品的大量信息。

此外，由于光的偏振态调制器件不影响光的传播方向，通过在光路中增加偏振器件即可在保持显微镜、内窥镜等原有光学成像及测量设备工作方式不变的情况下，拓展其获取生物医学样品微观结构信息的能力。针对生物医学应用，综述沿着偏振测量及成像技术-偏振信息提取、参数分析-组织和细胞的偏振成像及测量应用等三个方面进行了系统回顾总结。综述最后结合当下快速发展的机器学习、非线性光学、超表面等技术，对偏振光学方法在生物医学研究及临床应用中的未来发展方向进行了展望，为相关研究提供了指导。

图3. 偏振生物医学方法的潜在多模态连用

相关内容近期以“面向生物医学和临床应用的偏振光学”（Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review）为题发表于《光：科学与应用》（

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-021-00639-x

天文系领衔揭示早期宇宙星际间重元素起源之谜

清华大学天文系通过毫米波阵列观测发现，宇宙早期星际间中的重元素，可能起源于一亿个太阳光度的巨大星系的反馈作用，这一发现挑战了国际上现有的星系形成理论。

星际间介质中的重元素存在之谜

在宇宙中，绝大部分物质不在星系里，而在星系之间。这部分弥散在星系之间广袤空间里的物质，被称为星际间介质。在宇宙大爆炸之后不久，宇宙中只存在大量的氢、氦和少量的锂，而没有更重的元素（例如碳、氮、氧等元素）。但是天文学家们从距离大爆炸仅9亿年的宇宙中，确认了星际间已经存在较重的元素。在观测宇宙学中，一个关键的问题就是如何理解早期宇宙中的重元素从何而来，以及它们又是如何到达星际间的。

现代宇宙学理论指出，星际间的重元素主要起源于小质量星系的恒星星风或黑洞的反馈作用。这些理论预言，小质量星系活动是宇宙重元素起源的原因。

清华大学天文系蔡峥副教授所领导的项目，利用国际上最大的射电望远镜，位于智利北部的阿卡塔玛沙漠中的ALMA毫米波阵列，对“宇宙早期重元素起源”这一问题进行了研究。清华大学利用ALMA对准了位于宇宙早期，宇宙学红移为6.04处的类星体J2054-0005光谱中的一个氧吸收体（距今125亿光年）。在进行了仔细地数据分析和处理后，团队发现一个候选星系，此候选星系与氧吸收体的距离约6万光年。这个星系的光度达到了太阳光度的1亿倍，该星系暗物质晕总质量达到4千亿个太阳质量。团队进一步将这个星系与国际上流行的宇宙学数值模拟理论进行了对比，令人惊讶的是，这次所发现的星系，要比理论预言的重1-2个数量级。这一观测清晰地表明，大质量星系的活动对早期宇宙的元素增丰可能比之前理论预言得重要得多。该文结果为宇宙早期重元素起源之谜提供了新的见解，为理论提供了全新的观测挑战。

相关研究成果于9月27日在线发表于《自然·天文》（

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41550-021-01471-4

来源| 材料学院 航院 生命学院交叉信息研究院电机系深圳国际研究生院 天文系

排版 & 编辑| 张佳雯

校对 | 苑洁 李婧

责编 | 赵姝婧