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心肌细胞的机械行为对生命健康起至关重要的作用, 通常认为电信号和化学信号对心肌细胞的行为起调控作用. 近年来发现细胞微环境的物理因素能够调控细胞的增殖、铺展、迁移和分化等行为, 但其对心肌细胞机械行为的调控研究仍然缺乏. 本文制备具有不同杨氏模量的水凝胶以模拟心肌细胞力学微环境, 并通过加载力学刺激来探究细胞外基质中不同配体对心肌细胞的力学调控. 研究表明机械力信号可以通过基质-配体-细胞的信号通路来调控心肌细胞的跳动, 进而引起细胞间的耦合振荡实现心肌细胞的节律控制. 这种力信号调控受细胞微环境的杨氏模量、细胞黏附配体种类和密度、以及力信号的强弱和节律三者共同影响, 这为理解心率失调和心肌梗死后心力衰竭等疾病提供基础.
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超快差示扫描量热仪是第三代差热分析技术, 可以实现最高60000 K/s的超快速加热和最高40000 K/s的超快速冷却, 适合对熔点小于1000 ℃的物质或材料进行速率跨越五个数量级的反复原位升降温测试. 该仪器独特的高速率在满足人们观测样品中毫秒尺度上的结构转变需求的同时, 也产生大量的数据. 本文提出一种“俯视图”的数据分析方法, 即将热流投影到温度-速率或温度-时间的平面, 然后用颜色衬度代表热流强弱. 该方法有效地解决速率或时间在“侧视图”上难以被区分和量化的问题, 实现同时观测几个物理现象和比较其动力学行为的目的. 本文以一种Au基非晶合金为例, 从4篇代表性文献中的“侧视图”上采集数据, 重新绘制出“俯视图”, 比较两者的优缺点. 上述方法具有普适性, 适合对任何物质或材料的超快差示扫描量热数据进行分析. 不仅如此, “俯视图”也为构建新材料的工艺相图、发现新的结构转变和探索不同物理现象的动力学行为提供支持和帮助. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00012中访问获取.
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单分子定位技术可以绕过光学系统的衍射限制, 在生物样品的单粒子追踪和超分辨显微成像中得到了广泛应用. 多通道单分子定位采用多个成像通道, 可以实现对不同目标的同时追踪或多色超分辨成像, 也可以提升单粒子追踪的轴向深度或实现更高的定位精度和密度. 但各通道图像间的差异会影响协同定位或定量分析, 因此图像配准是其图像数据预处理的关键环节; 且由于单分子定位精度高, 其对多通道图像配准精度的要求也很高. 现有技术一般采用基于控制点的配准方法, 且多采用复杂而精密的方式来获取基准物网格图像用于定位得到控制点对, 以实现高精度图像配准, 对样品或实验设备要求高, 难以直接推广. 为此, 本文基于局部非线性变换和误匹配点剔除, 发展了一种可以直接采用随机分布荧光珠样品作为基准物的高精度图像配准方法, 通过在特征匹配和变换模型参数估计的过程中对控制点进行监测和迭代筛选, 以剔除因单分子定位不准确或精度差而导致未精确匹配的控制点对, 从而消除以随机分布荧光珠样品作为基准物时对于控制点准确获取和精确匹配所带来的不良影响, 同时采用基于局部加权平均的二阶多项式拟合进行变换模型参数估计, 以更好地适用于不同通道间存在局部非线性形变的情形. 结果表明, 采用该方法只需要3次迭代, 就可以将未准确定位和精确匹配的控制点对找到并剔除, 从而实现更准确的变换模型参数估计, 将配准精度提高一个数量级, 在图像局部非线性形变情况严重的正交像散双通道单分子定位成像系统中实现了约6 nm的配准精度.
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电控磁效应调控二维 (2D) 反铁磁 (AFM) 材料的研究结合了电控磁效应与半导体工艺兼容且低能耗的优势, 2D材料范德瓦耳斯界面便于异质集成以及AFM材料无杂散场、抗外磁场干扰、内禀频率高的优势, 成为领域内研究的重点. 载流子浓度调控是电控磁效应的主要机制, 已被证明是调控材料磁性能的有效途径. 层内AFM材料的净磁矩为零, 磁性调控测量存在挑战, 故其电控磁效应研究尚少且潜在的机制尚不清楚. 基于有机阳离子的多样性, 本文利用有机阳离子插层系统地调控了2D 层内AFM材料MPX3 (M = Mn, Fe, Ni; X = S, Se) 的载流子浓度, 并研究了电子掺杂对其磁性能的影响. 笔者在MPX3家族材料中发现了依赖载流子浓度变化的AFM-亚铁磁 (FIM)/铁磁 (FM) 的转变, 并结合理论计算揭示了其调控机制. 本研究为2D磁性材料的载流子调控磁相变提供了新的见解, 并为研究2D磁体的电子结构与磁性之间的强相关性以及设计新型自旋电子器件开辟了一条途径.
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p53是一种肿瘤抑制蛋白, 对阻碍癌症发展、维持遗传完整性起着至关重要的作用. 在细胞核内, 4个p53分子通过高度协同的方式、通过DNA结合域与DNA结合, 形成稳定的四聚体活性结构, 并转录激活或抑制其靶向基因. 然而, 大多数肿瘤细胞中存在大量p53的突变, 其中绝大部分突变发生在p53的DNA结合域, 而p53的DNA结合域又是p53形成四聚体活性结构、调控下游靶基因转录的重要区域. 本文通过全原子分子动力学模拟, 研究了野生型p53四聚体内分子间的相互作用机制. 结果表明, 位于DNA两侧的对称二聚体是一个稳定的二聚体, 在与DNA结合前后都能维持稳定的结构. 位于DNA同侧的两个单体依靠两个接触面提供的蛋白-蛋白相互作用和DNA的骨架作用使四聚体活性结构保持稳定, 这些相互作用为四聚体的形成机制提供了重要支撑. 该工作厘清了p53四聚体在动力学过程中的内部相互作用机制和关键残基, 揭示了四聚化过程中各个相互作用界面的关键位点, 对于理解p53的抑癌机制、探索有效治癌策略、发展治癌药物具有重要意义.
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高超声速飞行器在飞行过程中产生大量气动热, 高效的热防护技术对保证其正常工作具有重要意义. 本文基于热超材料调控热流传播路径思想, 针对高超声速飞行器头锥, 采用坐标变换法设计非封闭式点变换热斗篷及简化近似的多层结构. COMSOL数值模拟研究表明, 两种结构均有效实现导热和辐射热流的热绕流, 使部分热量沿头锥表面传播, 头锥前端温度显著降低, 机体升温速率减缓. 但其热防护性能的提升要求材料固相和辐射热导率低于原隔热材料. 进一步设计了非封闭式域变换热斗篷, 材料固相和辐射热导率均可高于原隔热材料. 模拟结果表明, 热绕流显著提升了域变换热斗篷的热防护能力, 相比于纯隔热材料, 头锥前端温度降低达100 K, 机体降温达10 K, 展现出重要的热防护应用潜力.
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电流驱动的面内交换偏置场翻转具有无需外磁场辅助、抗磁场干扰以及强磁各向异性等优势, 受到广泛关注. 然而, 在纳米级厚度薄膜系统中, 反铁磁/铁磁异质结的阻塞温度较低, 同时电流脉冲会产生大量的焦耳热, 理论上电流热效应对于交换偏置场翻转有着显著作用, 但是其作用机制缺乏相关研究和验证. 我们制备了一系列反铁磁IrMn厚度不同的Pt/IrMn/Py异质结, 系统性地研究了热效应在电流翻转交换偏置场中的作用机制. 结果表明, 在毫秒级电流脉冲下, 焦耳热能够使得器件升温至阻塞温度以上, 解除反铁磁/铁磁界面的交换耦合, 同时电流产生的奥斯特场和自旋轨道矩能够翻转铁磁磁矩, 在降温过程中完成交换偏置场的翻转. 并且, 在翻转过程中, 反铁磁/铁磁异质结的各向异性磁阻曲线呈现与温度相关的两步磁化翻转现象, 分析表明该现象起源于交换偏置耦合与铁磁直接交换作用之间的竞争关系. 本文的研究结果厘清了热效应在电流驱动交换偏置场翻转过程中的重要作用, 有助于推动基于电控交换偏置场的自旋电子器件发展.
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霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域, 其起源可以追溯到数百年前. 1879 年, 霍尔发现将载流导体置于磁场中时, 磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累, 这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应. 之后, 一系列新的霍尔效应被发现, 包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等. 值得注意的是, 霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化, 因此在信息传输过程中扮演着重要的角色. 在玻色子体系(如磁子)中, 相应的一系列磁子霍尔效应也被发现, 他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展. 本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应, 简述其现代半经典的处理方法, 包括虚拟电磁场理论和散射理论等. 并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源, 概述了不同类型磁子的霍尔效应. 最后, 对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.
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蛋白质的功能往往与其结构和动态变化密切相关. 分子动力学模拟是研究蛋白质结构变化的有效方法, 然而使用分子动力学模拟对蛋白质的构象空间进行采样需要花费很长的时间. 近年来的一些研究表明, 使用简单的机器学习模型——自编码器及其改进型, 可以在有限采样的情况下, 快速完成对蛋白质构象空间的探索. 该模型通过训练神经网络, 完成对隐变量的提取, 同时根据其产生构象, 但是由于提取出的隐变量没有直观的含义, 探索构象空间的方向会受到影响. 本工作通过引入反应坐标(如质心距离等), 建立了一个中间层受监督的自编码器模型, 以解决上述问题. 该模型应用于噬菌体T4溶菌酶和腺苷酸激酶两个蛋白质分子, 结果表明, 仅使用短时间分子动力学模拟作为训练数据, 就可以探索到这两种蛋白分子的多种典型构象. 有监督(合理的反应坐标或者实验数据等)的自编码器模型有望成为探索蛋白质构象空间的有效工具.
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缺陷是半导体领域中最核心的问题. 采用含时密度泛函方法, 模拟了S原子脱离MoS2晶格形成空位缺陷过程中的电子动力学行为, 发现该过程中存在显著的非绝热效应. 非绝热效应导致S原子需要消耗更多能量以脱离晶格形成空位缺陷. 随着S原子的初始动能增大, 其脱离晶格形成空位的能量势垒也持续增大, 并且在初始动能达到22 eV附近时发生了阶跃式的增长. 这是由朗道-齐纳电子跃迁和能级间库仑作用共同导致的. 非绝热效应还改变了脱离晶格的S原子上电荷的轨道分布, 以及晶格中缺陷附近的电荷分布. 此外, 还发现该过程中自旋轨道耦合十分重要, 必须被考虑. 本文阐明了MoS2中S原子空位的形成机制, 尤其是电子非绝热动力学的重要作用, 为进一步研究缺陷对材料物理性质的调控提供了理论基础.
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