理化所等在硼酸盐零膨胀材料研究中取得进展,荒漠地区大型光伏电站对局地气候的影响研究获进展

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热胀冷缩是自然界物体的一种基本热学性质。然而也有少数材料并不遵循这一基本物理规则,存在着反常的热膨胀性质,即其体积随着温度的升高反常缩小。其中,有一类材料的体积在一定温区内保持不变,称为零膨胀材料,在很多重要的科学工程领域具有重要的应用价值。目前已有的绝大多数零膨胀材料是通过将具有负热膨胀性质的材料加入到其它不同材料中,通过化学修饰的手段控制其膨胀率,形成零膨胀状态。而纯质无掺杂的零膨胀晶体材料因为能够更好地保持材料固有的功能属性,在各个领域更具应用价值。但由于在完美晶格中实现负热膨胀与正膨胀之间的精巧平衡十分困难,纯质无掺杂晶体材料中的零膨胀现象非常罕见。迄今为止仅在七种晶体中发现了本征的零膨胀性质。同时,在目前已有的零膨胀晶体材料中含有过渡金属或重原子,其透光范围仅仅截止于可见波段,因此探索具有良好透光性能的纯质无掺杂零膨胀晶体材料是热功能材料领域及光学功能材料领域里极具科学价值的研究热点。

结核分枝杆菌是引起结核病的病原细菌,氧化压力是结核分枝杆菌入侵宿主过程中必须面临的一种生存压力。在长期的进化过程中,分枝杆菌发展了各种策略来应对这种压力以利于其在宿主细胞存活,其中一个策略是通过表达过氧化物酶KatG直接将H2O2代谢为H2O,多个调控蛋白和Sigma因子被报道参与调控该过程,但具体机制还不清楚。

为应对能源危机和气候变暖,发展可再生能源已成为世界各国的共识。光伏发电技术是目前最具应用前景的太阳能利用方式之一。在全球,光伏发电装机规模逐年加速扩大。光伏发电虽不会产生温室气体和其他污染物,但光伏电池把部分太阳能转化为电能,改变了地表能量平衡。随着光伏电场规模的不断扩大,这种改变势必会对局地及周边地区的天气和气候产生影响。

中国科学院理化技术研究所人工晶体研究发展中心研究员林哲帅课题组与北京科技大学教授邢献然课题组合作,首次在单相硼酸盐材料体系中发现了新型零膨胀材料。相关研究成果发表在国际材料科学期刊《先进材料》上(Near-zero
Thermal Expansion and High Ultraviolet Transparency in a Borate Crystal
of Zn4B6O13, Adv.
Mater.
,DOI:10.1002/adma.201601816)。他们创新性地提出利用电负性较强的金属阳离子限制刚性硼氧基团之间的扭转来实现零膨胀性质,并在立方相硼酸盐Zn4B6O13中实现了各向同性的本征近零膨胀性质。

中国科学院武汉病毒研究所研究员陈士云带领的病原细菌学科组在分枝杆菌应对氧化压力机制研究中取得新进展,揭示了分枝杆菌Sigma因子SigE激活rbpA基因转录,进一步激活其调控过氧化物酶KatG的表达进而降低氧化压力的机制。该研究从分枝杆菌Sigma因子识别启动子特征信息分析出发,发现参与氧化压力耐受的SigE可以直接起始rbpA基因的转录,而rbpA基因转录产物又参与了持家Sigma因子SigA起始furA-katG操纵子转录的过程。通过基因敲除和敲降等方法,发现在sigE基因缺失突变株过表达RbpA蛋白完全回补了sigE缺失造成的氧化压力耐受下降的现象,进一步证明SigE调控RbpA是该Sigma因子参与氧化压力耐受的主要途径,据此提出了分枝杆菌应对氧化压力的完整机制。该研究结果不仅为系统阐释分枝杆菌氧化压力耐受机制奠定了基础,也为阐释RbpA蛋白在分枝杆菌菌体内的功能提供了重要信息,同时为针对该蛋白为靶点的抗结核新药的研发提供了新的理论依据。

中国科学院西北生态环境资源研究院高晓清团队依托“863”项目支持,在青海省格尔木市戈壁下垫面首次开展光伏电站气候环境效应的实证研究,定量揭示了光伏电站的局地气候环境效应。

ZBO晶体具有硼酸盐晶体中罕见的方钠石笼结构:[BO4]基团共顶连接形成方钠石笼,[Zn4O13]基团被束缚在方钠石笼中,[BO4]基团之间的连接处被较强的Zn-O键固定住。通过变温X射线衍射实验,证明了ZBO晶体在13K-270K之间的平均热膨胀系数为1.00/MK,属于近零膨胀性质,其中在13K-110K之间的热膨胀系数仅为0.28/MK,属于零膨胀性质。他们利用第一性原理计算结合粉末XRD数据精修揭示了ZBO的近零膨胀性质主要来源于其特殊的结构所导致的声子振动特性:低温下对热膨胀有贡献的声子模式主要来源于刚性[BO4]基团之间的扭转,刚性[BO4]基团之间的扭转被较强的Zn-O所限制,使得其在13K-270K之间呈现出非常低的热膨胀系数。

相关研究结果近期发表于《分子微生物学》(Molecular
Microbiology
),副研究员胡杨波和博士研究生王中伟为该论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金(#81271797;#31200111)和中科院青年创新促进会的资助。

研究发现,光伏电站在夜间有保温效应,在白天有降温效应。因光伏电池板的存在,改变了戈壁下垫面特征,站内外反照率有明显差异。虽然光伏电站是一个能量汇,而因光伏阵列将部分辐射能转换为电能输出,导致站内地表温度低于站外。在冬季,站外各层土壤温度均明显高于站内,光伏电站是冷源。土壤热传导率表现为站内高于站外,反映出光伏电站内土壤湿度大于站外,光伏电站对土壤有增湿效应。站内2m气温的月均值高于站外是由于光伏电池板发电过程中放热造成的,站内10m气温的月均值低于站外,说明在10m高度上光伏电站的整体气候环境已有显现。光伏阵列的存在使得站内2m空气相对湿度减小,10m有所增加。

ZBO晶体具有良好的生长习性。林哲帅课题组与中科院福建物质结构研究所吴少凡课题组合作,获得高光学质量的厘米级晶体。经过测试表明,ZBO的透光范围几乎包含了整个紫外、可见以及近红外波段,紫外截止边是所有零膨胀晶体中最短的。同时其还具有良好的热稳定性、高的力学硬度以及优异的导热性能。综合其优良性能,ZBO晶体在应用于低温复杂环境中的高精度光学仪器,例如超低温光扫描仪、空间望远镜和低温光纤温度换能器中具有重要的科学价值。

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该研究有利于科学评估光伏电站对局地气候的影响,对合理开发太阳能和建设光伏电站工程具有重要指导意义。研究成果具有较强实用性,同时还与区域经济和能源战略、环境保护密不可分,具有明显的经济效益和社会效益。

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