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武汉岩土所TBM安全高效掘进与智能控制技术研究获系列成果,六方氮化硼平面异质结研究获进展

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随着交通基础设施建设、深部资源开采和水资源开发不断发展,需要建设大量深埋长大隧道。TBM工法因其工期、造价和技术优势,成为深埋长大隧道和超千米深部大型矿井岩石巷道掘进的最佳选择。但由于对围岩与TBM相互作用机理的认识不够清晰,对TBM掘进过程中的围岩挤压大变形、断层破碎带垮塌失稳、卡机、岩爆和突涌水等工程灾害的致灾机理研究不够深入,高效破岩理论与工程灾害控制缺乏可靠的科学理论支撑,TBM安全高效掘进与智能控制是亟待解决的重大科学技术难题。

结核病已连续两年超过HIV成为全球第一大传染病。据WHO结核年报报道,2015年全球新增结核病例1040万,死亡180万。另外,目前全球约有三分之一人口为结核菌携带者,感染者中约1/10的人最终会发展为活动性结核。结核分枝杆菌复合群是引发结核病的元凶,其成员在基因组序列上极为保守,一致性超过99%,但是不同谱系的菌株在毒力、宿主适应性等方面存在较大表型差异,这可能是MTBC菌株与不同的宿主之间长期共进化的结果。长期的地理隔离导致了基因型隔离与遗传隔离,从而进一步造成MTBC表型的差异。为了揭示不同MTBC菌株致病性、宿主适应性等表型差异的遗传基础,探寻高度保守的MTBC基因型和多样化表型之间的联系,中国科学院北京基因组研究所基因组科学与信息重点实验室陈非研究组与首都医科大学附属北京胸科医院暨国家结核病临床实验室黄海荣研究组合作,选取了分属不同谱系(包括标准株H37Ra、H37Rv、牛结核、卡介苗)、适应于不同宿主且表现出不同致病性的12株MTBC菌株,借助比较基因组学手段,全面揭示了导致MTBC宿主适应性、毒力和免疫原性差异的遗传基础。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所石墨烯/六方氮化硼平面异质结研究取得新进展,研究员谢晓明领导的研究团队采用化学气相沉积方法成功制备出单原子层高质量石墨烯/六方氮化硼平面异质结,并将其成功应用于WSe2/MoS2
二维光电探测器件。研究论文Synthesis of High-Quality Graphene and
Hexagonal Boron Nitride Monolayer In-Plane Heterostructure on Cu–Ni
Alloy
于5月19日在Advanced Science上发表。

中国科学院武汉岩土力学研究所地下工程课题组通过对深部复合地层TBM安全高效破岩、灾害预测控制、岩机状态信息实时感知等深入研究,取得TBM安全高效掘进与智能控制技术方面的系统成果:

科研人员通过对感染不同宿主的结核杆菌的比较分析,发现了三类只存在于人源菌株中的基因,包括2个烯酰辅酶A水合酶、5个PE/PPE家族蛋白和8个mce3家族蛋白。这些基因中的绝大多数已被实验证明在结核毒力和免疫中发挥重要的作用,它们在动物源菌株中的特异性缺失极有可能导致结核杆菌宿主适应性差异。通过对MTBC毒力因子的分析发现13个只存在北京系中的SNPs,它们很可能是导致北京系菌株毒力更强的原因之一;对实验室最常用的标准有毒株H37Rv与无毒株H37Ra的比较,发现3个可能导致H37Ra毒力减弱的突变位点,包括已被实验验证的S219L
、A219E 和1个新发现的I228M
;对动物源有毒株牛结核杆菌和弱毒株(卡介苗及田鼠分枝杆菌)的分析发现,RD1区域的前4个基因而非传统观念所认为的整个RD1区可能是导致动物源结核杆菌毒力减弱的原因。通过对MTBC抗原决定簇的分析发现,北京系菌株特异缺失了4个抗原决定簇,它们的缺失可能导致北京系菌株的免疫逃逸,从而毒性更强。此外,不同宿主的结核杆菌在抗原决定簇上也存在差异,反映了不同宿主的结核杆菌与相应宿主之间特异的免疫反应。

石墨烯和六方氮化硼结构相似但电学性质迥异。由于石墨烯/六方氮化硼平面异质结在基础研究和器件探索方面具有重要潜力,因而备受学术界关注。graphene/h-BN平面异质结的制备一般采用依次沉积石墨烯和h-BN,或者相反次序来实现,由于后续薄膜形核控制困难以及生长过程中反应气体很容易对前序薄膜产生破坏,因而目前文献报告graphene/h-BN平面异质结的质量不尽如人意。上海微系统所信息功能材料国家重点实验室的卢光远、吴天如等人基于铜镍合金衬底生长高质量h-BN和石墨烯薄膜的研究基础,通过先沉积h-BN单晶后生长石墨烯,成功制备了高质量石墨烯/h-BN平面异质结。由于铜镍合金上石墨烯生长速度极快,较短的石墨烯沉积时间减小了对石墨烯薄膜生长过程中对h-BN薄膜的破坏。同时由于铜镍合金优异的催化能力,在提高氮化硼单晶结晶质量的同时消除了石墨烯的随机成核,使得石墨烯晶畴只在三角状h-BN单晶畴的顶角处形核并沿着h-BN边取向生长。课题组与美国莱斯大学教授Jun
Lou等团队合作,利用合作培养博士研究生计划,在高质量石墨烯/h-BN平面异质结的基础上,以石墨烯作为接触电极,h-BN作为绝缘衬底,制备了WSe2/
MoS2
二维光电探测器,验证了石墨烯/h-BN平面异质结的质量和电学性能,为基于该异质结材料平台开展基础研究和二维逻辑集成电路应用探索提供了基础。

基于高围压、软硬岩全尺寸CCS滚刀贯入和线性切割试验及数值实验,揭示了破岩过程裂隙网络扩展演化规律、破坏模式和围压对滚刀法向力、滚动力及破岩效率的影响规律;基于滚刀-刮刀联合破岩过程模拟,揭示了复合地层TBM破岩机理,并提出了复合地层TBM掘进的适应性设计准则和掘进参数设计。建立了典型TBM工程的掘进数据库,基于此建立了TBM掘进性能预测模型和岩体可掘性评价理论。

该研究揭示了导致MTBC菌株表型差异的基因组突变,增强了对于MTBC基因组如此保守而表型差异如此显著的理解。此外,在整个MTBC范围内系统地比较基因组学研究为更好地理解MTBC的致病机制奠定了基础,为结核病的防治提供了新的检测靶标,进一步促进了针对结核病疫苗的研发。

该项工作得到了科技部重大专项“晶圆级石墨烯电子材料与器件研究”以及中科院和上海市科委相关研究计划的资助。

揭示了TBM掘进高应力软弱围岩损伤扩容-破裂碎胀挤压大变形机理,建立了描述破裂碎胀挤压大变形过程的本构模型和裂隙扩展准则;揭示了围岩与护盾作用的摩擦-接触机制及卡机灾害孕育发生机理,建立了卡机状态判别准则;提出了基于有限元-离散元耦合方法和数值流形方法的挤压大变形及卡机灾害分析预测方法。

该成果于2017年3月在线发表于《细胞与感染微生物学前沿》(Front. Cell.
Infect.
Microbiol.
)期刊。该项研究得到中科院百人计划、中科院重点部署项目、重大传染病防治重大专项等资助。

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提出了TBM穿越复杂地质条件下软岩挤压大变形、断层破碎带坍塌失稳、突涌水和岩爆灾害风险等级划分方法。针对不同灾害类型和风险等级,提出了以超前加固、TBM扩挖、掘进参数调整和分步联合支护为核心的成套防控、脱困技术。

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建立了TBM掘进过程岩-机作用信息(包括刀具受力、刀具磨损、刀盘振动、围岩与护盾作用信息)实时监测系统,实现了TBM岩-机作用无人值守自动监测、数据共享和远程控制。对采集的岩-机相互作用多源信息进行数据挖掘和智能学习,建立了岩体力学参数与TBM机械电液参数间的融合互馈机制及其映射关系,为不同地质条件下TBM掘进过程信息化施工、优化决策与智能控制的提供支撑条件。

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图1 高质量graphene/h-BN平面异质结的CVD制备

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