自然杂志

童星, 柯海波, 汪卫华, 白海洋

2025, 47(4): 239-248. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.02.010

摘要 ( 139 )

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非晶态物质在自然界和生活中普遍存在，具有独特的物理和化学特性。近年来，科学家们通过实验和理论研究，逐渐将非晶态物质归类为独立的常规物态，即非晶态是常规物质第四态，是物质的常规态之一。近一个世纪前提出的“是否所有物质都能形成非晶态”一直是科学界悬而未决的议题，其中最关键的问题在于能否将非晶形成能力最弱的单质金属转化为稳定的非晶态，这将为非晶态是物质的基本属性，是常规物质第四态提供最有力的证据。近期，我们发明了一种超快激光烧蚀的策略，实现了包括最难非晶化的金、银在内的多种单质金属的非晶化，突破了物质的非晶形成能力极限，证实了非晶态是物质的基本属性之一。这一策略不仅解决了单质非晶金属制备的百年难题，还为非晶材料的研究和应用提供了新的方向

雷暴电学与人工引雷

蒋如斌, 刘冬霞, 袁善锋, 张鸿波, 吴学珂

2025, 47(4): 249-260. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.04.002

摘要 ( 27 )

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雷暴和闪电是严重的自然天气灾害，影响社会经济各个领域。云动力和微物理过程的共同作用，使电荷在霰、冰晶等水成物粒子之间转移。这导致雷暴云带电，并在不同区域聚集大量电荷，从而发生闪电放电。闪电可产生氮氧化物、高能辐射，引起上下大气层物质和能量交换等，所涉及的问题是多学科的。青藏高原的特征是海拔高、面积大且地形复杂，雷暴和闪电活动频繁。中国科学家的研究揭示了青藏高原雷暴的下部主导型三级电荷分布模态，其普适性也被其他高海拔雷暴研究所证实。青藏高原雷暴的独特结构及其对全球和区域的生态环境及气候变化的响应与反馈，会受大尺度环流和局地热动力因素的共同控制，值得进一步关注和重视。人工引雷技术使随机性很高的闪电能够在一定时空可控的状态下发生，为闪电的物理机制和效应、雷击防护技术测试等研究提供了良好条件，基于此取得了一系列进展。未来，通过开发新技术来影响雷暴云起电过程或高空一定区域引发闪电以实现对雷暴、闪电的人工干预，仍有待深入探索。

气候变化与野火

张文霞, 俞妍, 桂可心, 周天军

2025, 47(4): 261-269. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.04.003

摘要 ( 24 )

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近年来全球破纪录极端野火频发，造成严重的生命和财产损失，为气候与生态环境恶化敲响了警钟。野火是一类高度复合的极端事件，通常伴随着高温、低相对湿度、强风和干旱多种气象条件的复合。近些年来为何极端野火频发？与气候变化有何联系？本文从野火形成的气象条件、野火的长期变化及原因、野火对气候和生态系统的影响三方面逐层递进展开介绍。气候变化与野火之间存在重要的反馈过程：一方面，伴随气候变化下高温和干旱的增加，全球极端野火呈现增加趋势；另一方面，极端野火会产生大量温室气体和气溶胶排放，并影响生态系统，从而对区域和全球气候产生反馈。这些复杂的反馈过程给人类适应气候与环境变化带来了挑战。

颗粒物干沉降对光伏资源影响评估

何喆辰, 刘诺航, 裴梓越, 施红蓉, 葛宝珠, 王自发

2025, 47(4): 270-280. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.04.004

摘要 ( 20 )

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随着光伏发电在全球能源转型中的重要性日益增加，颗粒物的干沉降对光伏系统的影响逐渐成为研究热点。本文从颗粒物沉降至光伏面板导致发电效率衰减的角度出发，研究了粗颗粒物(PM₁₀ )干沉降对光伏资源，特别是对光伏面板辐照量的影响。通过建立光伏资源评估综合模型，系统考虑颗粒物干沉降量、气象因素及积尘密度等对光伏面板辐照量与发电量的影响。研究结果表明，PM₁₀沉降在光伏面板表面形成的积尘层，显著降低了面板的透光率，导致全国可利用光伏资源平均降低约10%。尤其是中国北方地区，较高的PM₁₀沉降导致约600 kWh/m²的辐照量减少，而中部和南部地区受降雨清洗影响，辐照量损失较小，约为100 kWh/m²。季节变化上，冬春季降幅比例高于夏秋季。尽管2020年的干沉降通量少，但因受降雨清洗较少的影响，可利用发电量低于2018年。因此，改善空气质量和加强面板清洁可显著提高光伏发电效率。该成果为光伏的资源评估和发电策略优化提供了理论依据，对推进国家“双碳”目标实现具有重要实践价值。

电驱动智能窗

姜利海, 刘培荣, 王志浩, 巫金波

2025, 47(4): 281-288. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.02.013

摘要 ( 119 )

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随着全球能源消耗、能源短缺和环境污染的加剧，中国政府郑重提出“双碳”战略，以促进可持续发展。建筑能耗是能源消耗的主要部分，而窗户是能效最低的部分，因此研发兼具生态效益与舒适性的智能窗户成为迫切需求。智能窗种类丰富，而与光热刺激相比，电作为最可控的驱动力脱颖而出。电与电致变色材料和器件结构的组合，使电致变色材料成为智能调节光线的合适选择。由于传统的低辐射玻璃对光线无法调节，人们开始寻找其他种类的电驱动智能窗。基于此，本文分别介绍电致变色、聚合物分散液晶、悬浮颗粒装置三种电驱动智能窗的概念、结构、反应机理及应用，并简要介绍其性能指标。相信在不久的将来，电驱动智能窗会有更广阔的应用前景。

基于光栅芯片的冷原子真空计量

王云鹤, 李哲涵, 邓书金, 武海斌

2025, 47(4): 289-293. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.04.006

摘要 ( 17 )

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真空计量在尖端制造业和前沿科学研究中具有不可或缺的作用。与传统计量手段相比，冷原子真空计量具备更低的计量下限和不偏移的校准稳定性等独特优势。本文通过自主设计的光栅芯片实现芯片冷原子的制备，研究了该紧凑型芯片冷原子系统的装载和耗散过程，并测量了系统的背景真空。实验结果表明，该紧凑型光栅芯片冷原子真空计量系统可满足真空计量的相关要求，真空测量结果可达3.2×10^-9 Pa。这项工作为未来冷原子真空计量的便携化、商用化提供重要参考。

硫族元素替换及双层堆垛对二维TMDs材料PtS₂电子结构及迁移率影响的理论研究

代玟, 裴田甜, 乔君毅, 方荣巍, 奚晋扬

2025, 47(4): 294-302. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.02.012

摘要 ( 19 )

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近年来二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDs)展现了优异的电输运性质。为了理解其结构与性能的关系，本文利用第一性原理计算，深入研究了Se元素替换及双层堆垛对单层TMDs材料PtS₂电子结构及迁移率的影响，同时阐明了其背后的机理。研究发现，Se元素替换和双层堆垛均对价带顶附近的电子结构影响较大。电子结构的变化，使得单层结构的空穴迁移率随着元素替换数量的增加而减小，而双层堆垛能够较大幅度提升空穴迁移率。例如，在300 K下，由于等效电声耦合强度的减弱，在单层PtS₂上堆垛一层PtS₂或PtSe₂均可将空穴迁移率提升一个数量级。因此，堆垛是一种提升TMDs电输运性质的有效策略。我们的工作为进一步优化二维TMDs材料的电输运性质提供了理论指导。

生命如电：从生物电到离子通道

郭晓强, 郭贝一

2025, 47(4): 303-315. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.04.008

摘要 ( 71 )

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生物电的发现和测量及离子通道机制的阐明揭示了生命过程的基本规律和特征。生物电的早期探索包括1791年伽伐尼发现动物电、19世纪静息电位与动作电位的测量、1902年解释静息电位的膜理论提出和50年后阐述动作电位形成过程的离子学说的发展等重要科学事件。离子通道的存在主要通过膜片钳技术得以证实，并借助结构生物学手段诠释其门控机制(电压、配体、温度和机械力等)和离子选择性(如Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Cl^-等)的分子基础。离子通道是一类允许离子选择性被动运输的膜孔道蛋白，参与感觉形成、信息加工、肌肉收缩和腺体分泌等众多重要的生物学过程，缺失或功能异常可导致大脑、心脏和肌肉等器官多种疾病的发生。生物电和离子通道研究成果已在临床技术(心电图、人工耳蜗和光遗传学等)和药物治疗(麻醉剂和降压药等)方面得到广泛应用。本文全面阐述从生物电发现到离子通道分子机制阐明的历史过程及相关知识，以加深对该领域的理解和认识。

执著与美丽：多萝西•克劳福特•霍奇金的晶体人生

尹辉, 李侠

2025, 47(4): 316-322. doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2025.02.014

摘要 ( 127 )

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英国著名化学家多萝西•克劳福特•霍奇金因“运用X射线技术测定重要生化物质的结构”获得1964年诺贝尔化学奖。多萝西一生致力于X射线晶体学，成功解析了碘化胆固醇、青霉素、维生素B12和胰岛素等复杂分子的结构，对生物化学、医学等领域产生深远的影响。多萝西不仅是杰出的科学家，还是推动国际科学合作和维护世界和平的重要使者。本文通过回顾多萝西的成长经历、科研成果以及社会活动，为科研工作者提供两点启发：一要执著探索，勇攀学术高峰；二要担起社会责任，坚守美好心灵。

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