刘承宜的研究领域和研究成果

刘承宜教授先后出访日本和美国，参加多次国际会议。先后邀请美国、德国、俄罗斯和香港等地的同行来访，开展合作研究。主持国家自然科学基金、教育部霍英东青年教师基金和广东省自然科学基金团队项目等项研究。在细胞生理与信息方面具有较高的学术造诣，发现了哺乳动物非视觉细胞的协同光信号转导现象。

刘教授的课题组从1998年开始连续参加ASLMS年会（世界激光医学方面级别最高的会议）。1999年，课题组的报告成为这个小组会议的八大热点话题之一。2000年，课题组的报告低强度激光对细胞生物刺激作用的膜机理研究获得整个会议的最佳基础研究论文提名和小组会议的优秀论文。2001年，课题组报告入选Mini-Talk型大会，且排位第一。课题组的研究生先后连续三次获得暑期研究基金的资助。ASLMS的会刊Lasers Surgery Medicine 是SCI收录的影响因子（2011年是3.275）最高的激光医学刊物。 1. 1998-2000， 国家自然科学基金（National Natural Science Foundation of China,NSFC）：《关于人中性粒细胞转导低强度氦氖激光信号机制的研究》，已完成。

2. 1998-2000，国家教育部霍英东青年教师基金项目：《人的中性粒细胞转导低强度氦氖激光信号机制的研究》，已完成。

3. 2000-2002 年，连续三次指导硕士研究生获得了美国激光医学学会的暑期研究基金资助：《低强度He-Ne 激光激活中性粒细胞NADPH氧化酶复合物的机理研究》、《麻醉剂对激光照射的猪正常皮肤成纤维细胞的效应》和《激光外科长期效应中光对成纤维细胞的生物调节作用》，已完成。

4. 2001-2003 年，与郭弘和胡巍两位教授共同主持广东省自然科学基金团队项目：《不同领域的光传输》，本人主要负责开展光生物调节作用的基础研究，已完成。

5. 2002-2004 年，国家自然科学基金《低强度氦氖激光激活人中性粒细胞酪氨酸蛋白激酶研究》，已完成。

6. 2002-2004 年，“千百十工程”优秀人才培养基金（省级）：《低强度氦氖激光延缓人二倍体成纤维细胞衰老的机理研究》，已完成。

7. 2005-2007 年，国家自然科学基金《发光二极管红光抑制淀粉样蛋白25-35 诱导的PC12 细胞凋亡的机理研究》，已完成。

8. 2009-2011 年，国家自然科学基金《低强度650 nm GaInP/AlGaInP 半导体激光促进中性粒细胞胞外杀菌网形成的机制研究》，已完成。 1. 辐射与物质相互作用：首次揭示时间的量子特性，建立了相应的时间量子理论（RMT）。

2. 应用RMT建立了低强度激光生物效应的非共振跃迁理论（NRT）。

3. 住处生物学：应用RMT和NRT 提出了物理信号的物理放大模型和时间平行理，建立了生物住处提取的时间方法（BIT），揭了个人最可几预期寿命Y和最佳年龄H的关系：Y=2H+1。

4. 中医基础理论：将过程时间与阴阳结合起来，发展了中医治法，建立了中医阴阳虚实的时间理论；提示穴位的生物相干性，提出了循经感传的时间子模型，建立了经络现象的时间理论。

5. 传输光学：将Maxwell方程写成Schroedinger方程式形式，利用量子力学方法建立了光束传输的量子力学理论。其中 《光生物学的时间量子理论》被国际经济评价（香港）中心、香港文汇报社和世界华人重大科技与学术成果评委会联合评价为世界华人优秀重大学术成果，《中医阴阳的时间理论研究》获99第二届全球华人医学大会张仲景创新发明金奖。《激光化学的时间量子理论》在第二届华中地区科技推广大会上被评为二等奖。在Laser Sur Med、Phys Rev E和中国科学等杂志上发表近60篇论文；所发表的论文中SCI收录40多篇，它引20多次。

6. 发现了哺乳动物非视觉细胞的协同光信号转导现象。光生物调节作用（photobiomodulation,PBM）是激光或单色光（laser irradiation or monochromatic light, LI）对生物系统的非损伤调节作用。LI可以分为低强度LI（low intensity LI, LIL）（~10 mW/cm）和中强度LI（moderateintensity LI, MIL）（0.10 ~1.0 W/cm），其中LIL和短时间MIL照射称为低水平LI(low level LI, LLL)。在刘颂豪院士的领导下，刘承宜教授的激光运动医学实验室（Laboratory of Laser Sport Medicine，LSM）从国际上提出PBM的当年至今，已从事PBM 的研究十六年，一直坚持研究LIL 的生物效应。该实验室首先提出了LIL 的类激素模型，逐渐发展为生物信息模型，在2001 年获得细胞光信号转导实验的直接证实，获得了美国激光医学会当年年会的最佳优秀光生物刺激作用论文奖，最近将信号通路置于细胞内的功能网络进一步发现冗余机制。多年研究发现LIL 通过非视觉光调节可以影响很多细胞生理功能，可以抑制细胞凋亡，抗氧化应激，促进细胞增殖，诱导健康人的中性粒细胞形成胞外杀菌网。在剂量关系方面，LSM首先发现剂量段效应，发现PBM的原初过程为PBM的关键过程并进一步给出了定量的剂量关系，并将剂量关系的研究与FSH 结合发现了LIL 的自适应特性。这些发现不但将PBM 的研究逐步推向深入，而且为LIL 的临床应用提供了坚实的理论基础，LSM提出LIL 可以运用于阿尔茨海默病、运动损伤、病毒流行性感冒等疾病的辅助治疗。

7. 编著《低强度激光鼻腔内照射疗法》，中英文对照本已于人民军医出版社2010年出版发行，此书使用中英文对照编写，更具有专业性，系统介绍了低强度激光鼻腔内照射疗法和家庭使用方法，刘教授使用天津华新医疗公司的血易通产品做基础研究。

8. 提出了功能内稳态和成功应激的概念。PBM的早期研究纠缠于是否观察到PBM。刘承宜教授将负反馈与功能和应激结合起来，提出了功能内稳态（function-specific homeostasis, FSH）和成功应激的概念，将PBM分为低水平PBM和高水平PBM，从根本上解决了何种情况下可以观察到PBM的问题。

然而，近年来的研究发现，仅仅谈论某个功能是否存在PBM还远远不够，必须将功能放入细胞或组织等生物系统的功能网络之中，才能更加全面地理解PBM。功能网络的引入促使PBM进一步分类为直接PBM（direct PBM, dPBM）和间接PBM（indirect PBM，iPBM）。

9.中性粒细胞光信号转导现象

细胞膜上存在大量肽类激素等信号分子的受体。膜受体介导的信号转导包括对信号分子的识别、信息的转换和转导及效应器的活化，其中实现信息的转换和转导的蛋白激酶构成信号转导通路。信号通路可以分为二类： Gs蛋白所介导的信号通路为第一类信号通路（pathway 1），Gq蛋白, Gi蛋白或受体关联酶介导的信号通路为第二类信号通路（pathway 2）。视觉细胞和视网膜神经节细胞的细胞膜上有受体可以与光子发生共振作用，它们介导的信号转导称为光信号转导（phototransduction: PTD）。

中性粒细胞（polymorphonuclear cell：PMN）非线粒体产生活性氧（ROS）的现象称为呼吸爆发。前人发现（Schepetkin et al 1994， Karu 1998），低强度He-Ne激光（low intensity He-Ne laser irradiation: LIHNL）可以调节PMN的ROS产生。我们的研究表明（Duan et al 2001），LIHNL可以诱导PMN呼吸爆发（PMN1）；而且LIHNL对PMN呼吸爆发的诱导是通过pathway 2实现的（PMN2）。拙文（Duan et al 2001）的结论被它引10次，其中PMN1被Lavi等人（2003）、Klebanov等人（2005）和Zan-Bar等人（2005）作为研究LIL细胞功能的典型例子引用，PMN2分别被Schindl 等人（2002）、陈英华等（2002）、Korras（2003）和Gao等人（2006）引用。在列举讨论LIL作用机理的代表性论文时与拙文并列引用的有，Karu等人的工作（Derkacz et al 2005，Bisland et al 2006）和Karu的工作与Alexandratou等人的工作（Zan-Bar et al 2005）。在讨论介导PBM的ROS机制时，Hamblin 等人（2006）将Lubert 等人的工作和拙文并列引用。拙文2001年8月发表，我们在同年4月ASLMS年会上的报告引起生物刺激小组会议代表的广泛关注。国际低强度激光疗法研究与应用网站负责人和专著（Tunér et al 1999）作者之一Hode 博士非常欣赏我们的理论工作，前ASLMS 理事长、Mark 和Darke 奖获得者Lanzafame 博士认为我们的工作令人振奋（刘承宜等2001）。

PMN与LIHNL的作用是非共振作用（Li et al 2003）。为了与PTD区别，我们将非共振作用引起的PTD称为非特异性PTD（non-specific PTD: NPTD）。Shefer等人（2001）同期也发现骨骼肌卫星细胞的NPTD。随后陆续有研究NPDT的论文发表（Shefer et al 2003, Gao et al 2006）。　LIHNL对PMN的效应的研究是以血管内强度激光照射疗法（Intravascular low intensity laser irradiation of blood: ILIB）为临床背景的（Schepetkin et al 1994）。ILIB首先由美国人提出，先后在俄罗斯和中国流行。尽管俄罗斯的基础研究也很多（Schepetkin et al 1994, Karu 1998），高水平的基础研究却大部分在中国（Tong et al 2000，Duan et al 2001, Mi et al 2004）。拙文（Duan et al 2001）与Shefer等人（2001）论文的SCI它引次数一样（都是6次），在NPTD研究论文的它引次数中并列第一。

10.光信号抑制淀粉样蛋白25-35诱导的PC12细胞凋亡现象

细胞可以通过坏死、凋亡、非凋亡程序性死亡和衰老等方式死亡。淀粉样蛋白（Aβ）25-35诱导的PC12细胞凋亡是Alzheimer病（Alzheimer’s disease: AD）的细胞模型之一。我们用波长为64015nm的红光发光二极管阵列（red light emitting diode array: RLED）进行照射，发现可以抑制Aβ25-35诱导的PC12凋亡。ASLMS非常重视这个研究结果，国际旅费资助段锐参加ASLMS年会，Laser Surg Med破例用研究快报（rapid report）的形式快速发表（Duan et al 2003）。这是迄今Laser Surg Med上唯一用研究快报形式发表的论文。Santana-Blank等人（2005）引用了这个研究结果，不但指出了它对AD治疗的意义，而且进行了初步的机理探讨。虽然Yamamoto（2000）曾在会议上发表低强度GaAlAs半导体激光（905nm）对PC12细胞神经递质分泌和离子通道的影响，但我们的论文是唯一一篇研究LIL的PC12细胞效应的期刊论文。虽然有人研究LIL对细胞凋亡的抑制，但我们的论文是唯一一篇研究LIL抑制神经细胞模型凋亡的论文。AD迄今没有有效的防治方法。PBM是一种十分安全的康复方法，我们的研究为头盖骨直接LIL照射防治AD提供了依据。

11.光生物调节作用的生物信息模型

光对细胞功能的调节通路可以分为两类，特异性通路由细胞色素c氧化酶（Karu1998）、血色素（Mi et al 2004）和内源性卟啉（Lavi et al 2003）等与光发生共振作用的内源性光敏剂（Zan-Bar et al 2005）所介导，非特异性通路由与光不能发生共振作用的细胞的膜分子所介导（Liu et al 2003&2004）。细胞色素c氧化酶所介导的特异性通路首先由Karu（1998）提出，最近得到实验的完全证实。细胞膜受体介导的非特异性通路首先由我们提出（Liu et al 1996），所提出的激光生物刺激作用的类肽类激素模型（Liu et al 1996, 刘承宜等1997a）先后发展为激光生物刺激作用的生物信息模型（刘承宜等1997b, Liu et al 2000&2003）和PBM的生物信息模型（biological information model of PBM : BIMP）（Liu et al 2004）。

Karu（1998）从氧化还原电位（RDP）的角度总结了PBM现象，PBM对于RDP处于正常范围的细胞无效，RDP比正常范围越低，PBM的效应越强。BIMP从量子力学的角度进行了论证。单个分子与光子的非共振作用发生的几率很小。非特异性通路依赖于细胞的状态。功能正常的细胞处于内稳态，远离内稳态的细胞功能不正常。只有远离内稳态的细胞的膜受体处于超辐射态，可以将单个受体分子与光子的非共振作用放大受体数目（104左右）的平方（108左右）倍。因此，PBM促进远离内稳态的细胞恢复内稳态，具有细胞康复作用（刘承宜等2006）。

启动信号通路所要求的细胞膜受体构型的特殊改变可以通过分子内电子运动与核运动的耦合来实现。根据光对电子运动的非共振激活方式，BIMP将单色光拓展到长波紫外UVA(320-400nm)和短波红外IRA（700-1000nm），并将其分为UVA、紫、蓝和绿等冷色和IRA、红、橙和黄等暖色两类。在单色光不引起细胞损伤的前提下，BIMP将单色光的剂量由低到高分为若干剂量段，分别表示为剂量段n(n=1, 2, …)。在剂量段(2n-1)，BIMP表示为BIMP(2n-1)，暖色兴奋pathway 1；冷色兴奋pathway 2。在剂量段2n，BIMP表示为BIMP2n，暖色兴奋pathway 2，冷色兴奋pathway 1。

BIMP不但陆续得到可见光（Duan et al 2001, Shefer et al 2001&2003, Gao et al 2006）、UVA（Bode et al 2003）和IRA（Schieke et al 2002）的NPTD的实验的直接支持和细胞水平PBM实验的间接支持，而且与中医理论完全一致（Liu et al 2005）。直接陈述BIMP的相关论文Liu et al (1996, 1997)和刘承宜等（1997a&b）分别被CNKI 它引1、5、8和13次。所有BIMP相关工作中，SCI收录26篇，SCI它引7次，SPIE 专题会议Mechanisms for Low-Light Therapy中两篇综述性论文各引用1次，欧洲专著引用1次，CNKI它引51次。作为BIMP的直接验证，拙文（Duan et al 2001&2003）的引用情况见前面两节的介绍。另外，高晓玲等（1999）引用BIMP解释实验结果；许川山等（2000）总结BIMP，强调了开展低强度激光信号转导研究的重要性；杨在富等人（2002）对BIMP进行了总结，他们所指出的BIMP与实验的矛盾可以用PBM的单色光特异性和细胞特异性来解释。

BIMP在ASLMS 2000年年会上获得最佳基础科学论文提名，并以硕士生段锐的名义获得最佳生物刺激作用论文奖（刘承宜等2000），全文修改后收录在欧洲医用激光联合会主席主编的专著中（Liu et al 2003）。

12.麻醉剂对PBM的影响

细胞和临床都证明PBM促进伤口愈合，但三十多年的动物实验始终无法得出一致的结论。我们从麻醉剂的角度发现动物实验是否有效可能与制造伤口的麻醉剂的种类有关（Li et al 2001），ASLMS 2001年年会biostimulation小组会议将此列为热点话题进行讨论，并给予暑期资助开展实验研究（刘承宜等2001）。我们研究了氯胺酮对LIHNL促成纤维细胞增殖的影响，确认氯胺酮确实可以完全抑制LIHNL的促成纤维细胞增殖效应，为进一步解释三十多年的争论提供了细胞依据（李燕等2004）。ASLMS很重视这个结果，国际旅费资助李燕参加会议（李燕等2002，Li et al 2002）。

13.强激光光束边缘的光生物调节作用

激光外科是激光医学发展最快的领域。大多数外科激光器的即刻效应相差不大，但长期效应则大相径庭。我们将强激光光束分为中间的***度部分和边缘的低强度部分，假设强激光光束边缘存在PBM，用BIMP解释了外科激光的长期效应，受到ASLMS2002年年会的高度重视，论文（Liu et al 2002a）从投稿的biostimulation session提升到面向全体代表的mini-talk summaries session I的第一个报告，并应邀在网上刊物Laserexpress全文发表，研究课题得到当年ASLMS的暑期学生资助（李燕等2002）。“激光外科中的低强度激光效应”列为NSFC近期优先研究的领域（谢树森等2004）。我们用单层成纤维细胞作为模型，研究了Nd:YAG激光及其倍频绿色激光光束中心的损伤效应和边缘对没有损伤的细胞的非损伤效应，发现后者与LIL一样具有PBM（黄平等2005），从细胞模型实验上支持了强激光光束边缘的PBM假设，为外科激光长期效应的解释提供了细胞基础。　14.光束传输的Schroedinger形式理论　将Maxwell方程化为Schroedinger方程，得到量子力学的Hamilton量和波函数，利用量子力学方法建立了光束传输的Schroedinger形式理论。用量子力学平均值方法重新定义光束传输参数，利用Heisenberg图像研究算子演化，分别获得实数折射率和复数折射率介质（Liu et al 2002b&c）的光束传输参数的一般演化方程和衍射积分，证明了（有效）质量因子守恒是（有效）ABCD矩阵存在的充要条件并从（有效）质量因子守恒得到（有效）ABCD矩阵及其衍射积分，为生物组织光束传输和在体PBM剂量的严格计算提供了理论基础。发表SCI收录论文10篇，SCI它引8次，CNKI它引2次。

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编译 | 未玖

Nature , 14 April 2022, VOL 604, ISSUE 7905

《自然》 2022年4月14日，第604卷，7905期

天文学 Astronomy

A dusty compact object bridging galaxies and quasars at cosmic dawn

在宇宙黎明时分，星系由尘埃致密体过渡到类星体

作者：S. Fujimoto, G. B. Brammer, D. Watson, G. E. Magdis, V. Kokorev, T. R. Greve, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04454-1

摘要：

自从发现发光类星体在宇宙大爆炸后仅存在7亿年以来，了解超大质量黑洞在早期宇宙中如何形成和生长已成为一个重大难题。

理论模拟显示了一种进化序列，尘埃红移的类星体从严重尘埃遮蔽的星暴星系中出现，然后通过释放气体和尘埃过渡到无遮蔽的发光类星体。尽管最后一个阶段的红移已被确定为7.6，但由于它们在光学和近红外波长上的微弱性，目前尚未发现具有类似红移的过渡类星体。

研究组报道了一个紫外致密天体GNz7q的观测结果，它与一个红移为7.1899   0.0005、尘埃掩蔽的星暴有关。

在该时期，宿主星系的尘埃辐射比任何其他已知物体都要明亮，在480秒差距的中心半径范围内，每年形成1600个太阳质量的恒星。在深部、高分辨率成像和无狭缝光谱中，可识别出一个远紫外的红点源。

GNz7q在X射线中非常微弱，这表明在尘埃星暴核心出现了一个独特的紫外致密恒星形成区或一个康普顿厚、超过爱丁顿极限的黑洞吸积盘。在后一种情况下，观测到的性质与宇宙学模拟的预测一致，并表明GNz7q是晚期无遮蔽发光类星体的祖先。

Abstract：

Understanding how super-massive black holes form and grow in the early Universe has become a major challenge since it was discovered that luminous quasars existed only 700 million years after the Big Bang. Simulations indicate an evolutionary sequence of dust-reddened quasars emerging from heavily dust-obscured starbursts that then transition to unobscured luminous quasars by expelling gas and dust. Although the last phase has been identified out to a redshift of 7.6, a transitioning quasar has not been found at similar redshifts owing to their faintness at optical and near-infrared wavelengths. Here we report observations of an ultraviolet compact object, GNz7q, associated with a dust-enshrouded starburst at a redshift of 7.1899   0.0005. The host galaxy is more luminous in dust emission than any other known object at this epoch, forming 1,600 solar masses of stars per year within a central radius of 480 parsec. A red point source in the far-ultraviolet is identified in deep, high-resolution imaging and slitless spectroscopy. GNz7q is extremely faint in X-rays, which indicates the emergence of a uniquely ultraviolet compact star-forming region or a Compton-thick super-Eddington black-hole accretion disk at the dusty starburst core. In the latter case, the observed properties are consistent with predictions from cosmological simulations and suggest that GNz7q is an antecedent to unobscured luminous quasars at later epochs.

物理学 Physics

Intelligent infrared sensing enabled by tunable moiré quantum geometry

可调谐莫尔量子几何实现智能红外传感

作者：Chao Ma, Shaofan Yuan, Patrick Cheung, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Fan Zhang, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04548-w

摘要：

众所周知，固体中布洛赫波函数的量子几何性质，即贝里曲率和量子度量，显著影响着电子的基态和激发态行为。

体光伏效应（BPVE）是一种依赖于激发光偏振的非线性现象，在很大程度上取决于光学跃迁中的量子几何特性。红外BPVE尚未在石墨烯或莫尔体系等新兴平台中观察到，尽管这些平台已报道过与量子几何有关的激发强关联现象。

研究组报道了在扭曲双双层石墨烯（TDBG）中观察到5 µm和7.7 µm处可调谐中红外BPVE，由莫尔诱导的强对称性破缺和量子几何贡献产生。光响应在很大程度上取决于激发光的偏振态，且可通过外部电场进行高度调谐。

这种量子几何特性的广泛可调性使研究组能够使用卷积神经网络同时实现全斯托克斯偏振测量和波长检测，仅使用一个亚波长足迹仅为3  3  µm2的TDBG器件 。

该研究工作不仅揭示了莫尔工程量子几何在可调谐非线性光-物质相互作用中的独特作用，还以极其紧凑的芯片方式为未来智能传感技术开辟了新途径。

Abstract：

Quantum geometric properties of Bloch wave functions in solids, that is, Berry curvature and the quantum metric, are known to significantly influence the ground- and excited-state behaviour of electrons. The bulk photovoltaic effect (BPVE), a nonlinear phenomenon depending on the polarization of excitation light, is largely governed by the quantum geometric properties in optical transitions. Infrared BPVE has yet to be observed in graphene or moiré systems, although exciting strongly correlated phenomena related to quantum geometry have been reported in this emergent platform. Here we report the observation of tunable mid-infrared BPVE at 5 µm and 7.7 µm in twisted double bilayer graphene (TDBG), arising from the moiré-induced strong symmetry breaking and quantum geometric contribution. The photoresponse depends substantially on the polarization state of the excitation light and is highly tunable by external electric fields. This wide tunability in quantum geometric properties enables us to use a convolutional neural network to achieve full-Stokes polarimetry together with wavelength detection simultaneously, using only one single TDBG device with a subwavelength footprint of merely 3   3 µm2. Our work not only reveals the unique role of moiré engineered quantum geometry in tunable nonlinear light–matter interactions but also identifies a pathway for future intelligent sensing technologies in an extremely compact, on-chip manner.

材料科学 Materials Science

Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation

通过成分起伏同时实现拉伸塑性与超高强度

作者：Heng Li, Hongxiang Zong, Suzhi Li, Shenbao Jin, Yan Chen, Matthew J. Cabral, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04459-w

摘要：

具有纳米晶粒的金属有接近2 GPa的超高强度。然而，这种极端的晶界强化导致几乎所有拉伸塑性的丧失，即使当金属具有面心立方结构（所有晶体结构中塑性最强的结构）时亦如此。

研究组证明了纳米晶镍-钴固溶体虽仍是面心立方单相，但其拉伸强度约为2.3  GPa，塑性断裂伸长率约为16 %。

这种不寻常的拉伸强度和塑性的结合是通过高浓度固溶体中的成分起伏实现的。这种起伏使得层错能和晶格应变在1-10纳米的尺度范围内发生空间变化，从而显著影响了位错运动。

尽管纳米晶粒内部空间非常有限，但位错运动变得缓慢，促进了它们的交互作用、联锁和增殖。因此，流动应力增加，同时位错储存增加，从而提升了应变硬化能力，提高了塑性。

同时，沿位错线的分段脱捕需要较小的激活体积，因此应变速率敏感性增加，这也稳定了拉伸流动。因此，抗位错传播的起伏结构提供了一种强化机制，可在高流动应力下保持拉伸塑性。

Abstract：

Metals with nanocrystalline grains have ultrahigh strengths approaching two gigapascals. However, such extreme grain-boundary strengthening results in the loss of almost all tensile ductility, even when the metal has a face-centred-cubic structure—the most ductile of all crystal structures. Here we demonstrate that nanocrystalline nickel–cobalt solid solutions, although still a face-centred-cubic single phase, show tensile strengths of about 2.3 gigapascals with a respectable ductility of about 16 per cent elongation to failure. This unusual combination of tensile strength and ductility is achieved by compositional undulation in a highly concentrated solid solution. The undulation renders the stacking fault energy and the lattice strains spatially varying over length scales in the range of one to ten nanometres, such that the motion of dislocations is thus significantly affected. The motion of dislocations becomes sluggish, promoting their interaction, interlocking and accumulation, despite the severely limited space inside the nanocrystalline grains. As a result, the flow stress is increased, and the dislocation storage is promoted at the same time, which increases the strain hardening and hence the ductility. Meanwhile, the segment detrapping along the dislocation line entails a small activation volume and hence an increased strain-rate sensitivity, which also stabilizes the tensile flow. As such, an undulating landscape resisting dislocation propagation provides a strengthening mechanism that preserves tensile ductility at high flow stresses.

Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect

钙钛矿-氧化铟互连有机串联太阳能电池

作者：K. O. Brinkmann, T. Becker, F. Zimmermann, C. Kreusel, T. Gahlmann, M. Theisen, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04455-0

摘要：

多结太阳能电池可以克服单结器件的基本效率限制。金属卤化物钙钛矿型太阳能电池的带隙可调性使其在多结结构中具有吸引力。硅和铜铟硒化镓（CIGS）以及全钙钛矿串联电池的组合已有报道。与此同时，窄间隙非富勒烯受体为有机太阳能电池带来了快速提升的效率。

有机和钙钛矿半导体是一种很有吸引力的组合，具有相似的加工技术。目前，钙钛矿-有机串联电池的效率低于标准，并且受到宽间隙钙钛矿电池的低开路电压（Voc）和子电池之间互连引入损耗的限制。

研究组展示了钙钛矿-有机串联电池的效率为24.0%（认证为23.1%），Voc高达2.15 伏特。优化的电荷提取层使钙钛矿子电池具有高Voc和填充因子的出色组合。

该串联电池的有机子电池在近红外下提供了高外部量子效率，与对非富勒烯电池有限光稳定性的典型担忧相反，如果激子主要在非富勒烯受体上产生，则表现出出色的 *** 作稳定性。子电池由一层超薄（约1.5纳米）类金属氧化铟层连接，具有前所未有的低光/电损耗。

这项工作为钙钛矿-有机串联电池竖了一座里程碑，它优于最好的p–i–n钙钛矿单结，并与钙钛矿-CIGS和所有钙钛矿多结相媲美。

Abstract：

Multijunction solar cells can overcome the fundamental efficiency limits of single-junction devices. The bandgap tunability of metal halide perovskite solar cells renders them attractive for multijunction architectures. Combinations with silicon and copper indium gallium selenide (CIGS), as well as all-perovskite tandem cells, have been reported. Meanwhile, narrow-gap non-fullerene acceptors have unlocked skyrocketing efficiencies for organic solar cells. Organic and perovskite semiconductors are an attractive combination, sharing similar processing technologies. Currently, perovskite–organic tandems show subpar efficiencies and are limited by the low open-circuit voltage (Voc) of wide-gap perovskite cells and losses introduced by the interconnect between the subcells. Here we demonstrate perovskite–organic tandem cells with an efficiency of 24.0 per cent (certified 23.1 per cent) and a high Voc of 2.15 volts. Optimized charge extraction layers afford perovskite subcells with an outstanding combination of high Voc and fill factor. The organic subcells provide a high external quantum efficiency in the near-infrared and, in contrast to paradigmatic concerns about limited photostability of non-fullerene cells, show an outstanding operational stability if excitons are predominantly generated on the non-fullerene acceptor, which is the case in our tandems. The subcells are connected by an ultrathin (approximately 1.5 nanometres) metal-like indium oxide layer with unprecedented low optical/electrical losses. This work sets a milestone for perovskite–organic tandems, which outperform the best p–i–n perovskite single junctions and are on a par with perovskite–CIGS and all-perovskite multijunctions.

机械工程 Mechanical Engineering

Thermophotovoltaic efficiency of 40%

科学家实现40%的热光伏效率

作者：Alina LaPotin, Kevin L. Schulte, Myles A. Steiner, Kyle Buznitsky, Colin C. Kelsall, Daniel J. Friedman, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y

摘要：

热光伏（TPV）主要通过光伏效应将红外波长的光转换为电能，可使用比目前普遍存在于电力生产中的涡轮机更高温度的热源进行能量存储和转换。

自从在2000 下使用集成背表面反射器和钨发射极首次展示29%的高效TPV以来，TPV的制造和性能得到了改善。然而，尽管预测TPV的效率可能超过50%，但在温度低于1300 下，实际效率仍仅为32%。

研究组报道了效率超过40%的TPV电池的制造和测量，并通过实验证明了高带隙串联TPV电池的效率。TPV电池是由带隙在1.0-1.4 eV的III–V材料组成的双结器件，针对1900-2400 的发射极温度进行了优化。

电池利用带边光谱滤波的概念来获得高效率，使用高反射背表面反射器来拒绝不可用的子带隙辐射返回发射极。在功率密度为2.39 W cm –2 ，发射极温度为2400 的条件下，1.4/1.2 eV器件的最大效率为（41.1   1）%。在功率密度为1.8 W cm–2，发射极温度为2127 的条件下，1.2/1.0 eV器件的最大效率为（39.3   1）%。

这些电池可以集成到一个TPV系统中，用于热能电网存储，以实现可调度的可再生能源。这为热能电网存储创造了一条途径，以达到足够高的效率和足够低的成本，从而实现电网脱碳。

Abstract：

Thermophotovoltaics (TPVs) convert predominantly infrared wavelength light to electricity via the photovoltaic effect, and can enable approaches to energy storage and conversion that use higher temperature heat sources than the turbines that are ubiquitous in electricity production today. Since the first demonstration of 29% efficient TPVs using an integrated back surface reflector and a tungsten emitter at 2,000  C, TPV fabrication and performance have improved. However, despite predictions that TPV efficiencies can exceed 50%, the demonstrated efficiencies are still only as high as 32%, albeit at much lower temperatures below 1,300  C. Here we report the fabrication and measurement of TPV cells with efficiencies of more than 40% and experimentally demonstrate the efficiency of high-bandgap tandem TPV cells. The TPV cells are two-junction devices comprising III–V materials with bandgaps between 1.0 and 1.4 eV that are optimized for emitter temperatures of 1,900–2,400  C. The cells exploit the concept of band-edge spectral filtering to obtain high efficiency, using highly reflective back surface reflectors to reject unusable sub-bandgap radiation back to the emitter. A 1.4/1.2 eV device reached a maximum efficiency of (41.1   1)% operating at a power density of 2.39 W cm–2 and an emitter temperature of 2,400  C. A 1.2/1.0 eV device reached a maximum efficiency of (39.3   1)% operating at a power density of 1.8 W cm –2 and an emitter temperature of 2,127  C. These cells can be integrated into a TPV system for thermal energy grid storage to enable dispatchable renewable energy. This creates a pathway for thermal energy grid storage to reach sufficiently high efficiency and sufficiently low cost to enable decarbonization of the electricity grid.

地球科学 Earth Science

Realization of Paris Agreement pledges may limit warming just below 2 

实现《巴黎协定》的承诺有望将全球变暖控制在2 以下

作者：Malte Meinshausen, Jared Lewis, Christophe McGlade, Johannes Gütschow, Zebedee Nicholls, Rebecca Burdon, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04553-z

摘要：

在《格拉斯哥气候公约》签署前的过去五年中，154个缔约方在其国家自主贡献中提交了新的或更新的2030年减缓目标，76个缔约方提出了长期承诺。对2021联合国气候变化大会（COP26）之前承诺的量化表明，将升温控制在2 以下的可能性低于50 %。

研究组证明，如果所有有条件和无条件的承诺都得到充分和及时的执行，全球变暖可以控制在2  以下。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告中第一工作组对地球系统不确定性进行的概率表征，在全面执行的情况下，峰值升温可被限制在1.9-2.0  之间。

研究组回顾性地预测了21世纪的气候变暖，以显示2015-2021年雄心勃勃的总体目标水平如何变化。研究结果依赖于对2030年或2050年之后的限时目标外推、IPCC 1.5 特别报告（SR1.5）情景数据库的特征和承诺的全面实施情况。

对这些因素更悲观的假设将导致更高的升温预测。另一个独立的排放模型框架预测，全球升温峰值为1.8 ，这支持了该研究发现，即各国兑现承诺可能会将全球变暖限制在略低于2 的范围内。

若不仅要将升温控制在“略低于”，还要控制在“远低于”2  或1.5 ，则迫切需要制定政策和采取行动，以在本世纪中叶实现全球C O2 净零排放。

Abstract：

Over the last five years prior to the Glasgow Climate Pact, 154 Parties have submitted new or updated 2030 mitigation goals in their nationally determined contributions and 76 have put forward longer-term pledges. Quantifications of the pledges before the 2021 United Nations Climate Change Conference (COP26) suggested a less than 50 per cent chance of keeping warming below 2 degrees Celsius. Here we show that warming can be kept just below 2 degrees Celsius if all conditional and unconditional pledges are implemented in full and on time. Peak warming could be limited to 1.9–2.0 degrees Celsius in the full implementation case—building on a probabilistic characterization of Earth system uncertainties in line with the Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). We retrospectively project twenty-first-century warming to show how the aggregate level of ambition changed from 2015 to 2021. Our results rely on the extrapolation of time-limited targets beyond 2030 or 2050, characteristics of the IPCC 1.5  C Special Report (SR1.5) scenario database and the full implementation of pledges. More pessimistic assumptions on these factors would lead to higher temperature projections. A second, independent emissions modelling framework projected peak warming of 1.8 degrees Celsius, supporting the finding that realized pledges could limit warming to just below 2 degrees Celsius. Limiting warming not only to ‘just below’ but to ‘well below’ 2 degrees Celsius or 1.5 degrees Celsius urgently requires policies and actions to bring about steep emission reductions this decade, aligned with mid-century global net-zero C O2 emissions

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