科研发展动态 | 2021年第6期

发布时间:2021/08/20 09:44:14 文章来源:本站

2021年第6




| 要目 |



— 生命科学 —

1.科学家将藻类基因注入人类眼睛,首次重塑视觉神经

2.科学家成功通过SIRT6蛋白将老鼠寿命增长23%


—  信息科学  —

1.半导体新材料铋有望突破摩尔定律极限

2.中科院上海光机所在计算光刻技术研究方面取得重要进展


—  材料科学  —

1.美科学家研发出更高效节能的“铁镓磁电”芯片材料

2.中国科大实现新型的固态自旋量子相干操控





| 生命科学 |



科学家将藻类基因注入人类眼睛,首次重塑视觉神经


色素性视网膜炎是一种神经退行性眼病,由于视网膜上的感光细胞丢失,最终可导致完全失明。一旦患上这种罕见病,往往意味着视力仅仅局限于对光的感知,即患者能感受光的存在,也能区分白天和黑夜,但是眼睛不能分辨其他任何东西。除了基因替代疗法可对疾病的早期发作起效之外,目前尚无得到批准的色素性视网膜炎治疗方法。当地时间5月24日,一篇以《光遗传学治疗后盲人患者视力功能的部分恢复》(Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy)为题的论文发表在 Nature Medicine 上,美国匹兹堡大学眼科专家何塞・阿兰・萨赫(José-AlainSahe)教授是该论文的第一作者和共同通讯作者。


研究人员使用光遗传学技术,从基因角度改变视网膜细胞,这也是该技术首次用于神经退行性疾病的部分功能恢复。研究中,工作人员让患者视力最差的一只眼睛接受玻璃体腔药剂注射,注射内容是一种腺相关病毒(AAV)。科学家们利用无害的腺相关病毒作为载体,将来自绿藻的可以编码的光敏蛋白 ChrimsonR 的遗传指令送入患者的一侧眼睛,目标是改造视网膜中央凹的神经节细胞。该蛋白是一种敏感蛋白,能够感知琥珀色的光。这时被改造激活的神经细胞会把信号通过视神经传递到大脑,信息在大脑中会被处理和合成视觉感知。使用该办法,患者眼前物体发出的阵阵光线可以刺激他的眼睛,从而增强此前受损视网膜细胞的光感知功能。在接受了7个月的治疗后,被基因改变的细胞开始稳定,病人也开始出现视力改善的迹象。研究结果表明注射一种光基因传感器表达的基因治疗载体,并结合佩戴光刺激护目镜,可以部分恢复只有光感知视力的色素性视网膜炎患者的视觉功能。在随访期内,患者没有出现眼内炎症、视网膜的解剖结构未出现变化,也没有眼部或全身其他部位的不适,经过治疗的眼睛在84周的测试中均保持着光线感知。据研究人员介绍,除了论文展示的患者案例之外,该疗法已帮助部分患者恢复了失去的视力。


微评:尽管患者视力得到了一定恢复,但是研究人员预计患者的视力不会恢复到让他可以阅读或者识别面部的地步,因为识别人脸需要非常高的分辨率。该方法仍处于实验阶段,实际治疗估计还需要数年时间。即便如此,也已经是很大的突破,对于许多患者和家属来说,光遗传学的新进展必将带来新的希望。




科学家成功通过SIRT6蛋白将老鼠寿命增长23%


从古至今,人类一直在追求长命百岁的方法。现在,这一愿景有望真的实现。以色列巴伊兰大学和美国国立卫生研究院共同发表在《自然-通讯》上的一项研究指出,科学家们已经成功将老鼠的寿命延长了23%,这也将有望大大提高人类的平均预期寿命。2012年,巴伊兰大学的哈伊姆·科恩(Haim Cohen)教授就曾开展通过提高动物体内维生素水平,来提供预期寿命的研究。当时成功将雄性老鼠寿命延长了15%,但对雌性小鼠的寿命并没有影响。随后,研究人员发现SIRT6蛋白水平会随着年龄的增长而下降。因此,他们认为刺激SIRT6蛋白的产生或将对健康带来有益的影响。为此,巴伊兰大学和美国国立卫生研究院的科学家一同开展了研究,发现增加SIRT6蛋白的实验老鼠不仅寿命更长,而且更有活力,也更不易患癌症。


研究中,研究人员在250只老鼠身上增加了SIRT6蛋白的供应,结果发现,雄性和雌性老鼠的预期寿命都出现了跳跃式的增长。具体来说,雄性老鼠的寿命比对照组的增长30%,而雌性小鼠的寿命比对照组老鼠增长15%。平均来说,老鼠的整体预期寿命增长了23%。研究结果表明,SIRT6蛋白控制着健康衰老的速度。目前,研究人员可以轻易通过基因改造来提高小鼠体内SIRT6蛋白水平,但要提高人类体内SIRT6蛋白的活性则需要药物。现在,科恩教授正在进行试验,以寻找提高人体SIRT6蛋白的方法,并且有望在两到三年的时间取得成功,他希望通过该方法,将人类的平均预期寿命提高至120岁。


微评:长生不老不敢奢望,但长命百岁还是有很多人很憧憬的。刺激SIRT6蛋白的产生如能最终被证实对人体健康带来有益的影响且没有后遗症的话,相信这项技术将会是非常受欢迎的。





| 信息科学 |



半导体新材料铋有望突破摩尔定律极限


芯片单位面积能容纳的晶体管数目,已将逼近半导体主流材料硅的物理极限,芯片效能也无法再逐年显著提升。近年科学界积极寻找能取代硅的二维材料,挑战 1nm 以下的制程,却苦于无法解决二维材料高电阻及低电流等问题。原子薄的二维纳米材料是硅基晶体管的一个有前途的替代品,研究人员正在寻找将它们更有效地连接到其他芯片元件的方法。台湾大学、台积电、美国麻省理工学院的一项合作研究发现,在二维二硫化钼超薄单层材料结合半金属铋(Bi)情况下,能够在两者之间形成极低的接触电阻,半金属铋的电子特性介于金属和半导体之间,再加上两种材料之间适当的能级排列,能够消除异质材料界面形成的肖特基壁垒问题,有助实现半导体达1纳米以下的工艺制程,相关研究成果已发表于Nature期刊上。


这项跨国研究合作于2019年展开,两名主要参与研究论文发表的美国麻省理工学院沈品淳博士(20岁)和苏聪博士(20岁)为论文的第一作者与通讯作者,他们都曾是台大光电所硕士生。台大光电所教授吴志毅、博士周昂昇参与研究,为论文的共同作者。参与研究的还有麻省理工学院博士后林宇轩博士(19岁)、麻省理工学院教授孔晶、Tomas Palacios和李菊,以及麻省理工学院、加州大学伯克利分校和其他机构的17人。该项研究先由麻省理工团队发现在二维纳米材料上搭配半金属铋的电极,能大幅降低接触电阻并提高传输电流。随后由台积电技术研究部门将铋沉积制程程优化。台大团队则运用氦离子束微影系统(Helium-ion beam lithography)将元件通道成功缩小到纳米尺寸,共同获得突破性的研究成果。研究人员表示,使用铋作为接触电极的关键结构后,二维材料晶体管的效能不但与硅基半导体相当,还有潜力与目前主流的硅基制程技术相兼容。


微评:这次国际性合作,是大学和企业之间完美合作的一个案例。企业的需求和工艺技术,大学的昂贵设备(氦离子束微影系统,全台湾仅此一座),都保障了研究成果能够最终落地。




中科院上海光机所在计算光刻技术研究方面取得重要进展


近日,中科院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室提出一种基于虚拟边(Virtual Edge)与双采样率像素化掩模图形(Mask pixelation with two-phase sampling)的快速光学邻近效应修正技术(Optical proximity correction, OPC)。仿真结果表明,该技术具有较高的修正效率。OPC技术通过调整掩模图形的透过率分布修正光学邻近效应,从而提高成像质量。基于模型的OPC技术是实现90nm及以下技术节点集成电路制造的关键计算光刻技术之一。相关研究成果已经发表在Optics Express上。


光刻是极大规模集成电路制造的关键技术之一,光刻分辨率决定集成电路的特征尺寸。随着集成电路图形的特征尺寸不断减小,光刻系统的衍射受限属性导致明显的光学邻近效应,降低了光刻成像质量。在光刻机软硬件不变的情况下,采用数学模型和软件算法对照明模式、掩模图形与工艺参数等进行优化,可有效提高光刻分辨率、增大工艺窗口,此类技术即计算光刻技术(Computational Lithography),被认为是推动集成电路芯片按照摩尔定律继续发展的新动力。


上海光机所科研人员提出的这种基于虚拟边、双采样率像素化掩模图形的快速光学邻近效应修正技术,能够将不同类型的成像失真归结为两种类型的成像异常,即内缩异常与外扩异常。利用不同的成像异常检测模板,依次在掩模图形的边缘和拐角等轮廓偏移判断位置进行局部成像异常检测,确定异常类型及异常区域的范围。根据异常检测位置与异常区域范围,自适应产生虚拟边。通过移动虚拟边调整掩模的局部透过率分布,从而修正局部成像异常。借助修正策略和修正约束,实现高效的局部修正和全局轮廓保真度控制。另外,双采样率像素化掩模充分利用了成像系统的衍射受限属性,在粗采样网格上进行成像计算与异常检测,在精采样网格上进行掩模修正,兼顾了成像计算效率与掩模修正分辨率。利用多种掩模图形进行验证,仿真结果表明该OPC技术的修正效率优于常用的基于启发式算法的OPC技术。


微评:上海光机所的计算光刻技术的此项进展,将为我国90纳米以下光刻机自主研发的成功增加一份砝码,提供一个低成本提升光刻水平的实现路径。




| 材料科学 |



美科学家研发出更高效节能的“铁镓磁电”芯片材料


美国密歇根大学研究人员开发了一种材料——由铁和镓组合而成,它的“磁致伸缩”性能至少是同类材料的两倍,而且成本远低于同类材料。除了可用于计算设备外,它还可以为医疗和安全设备带来更好的磁传感器。该研究成功也于近日被刊登在了知名科学期刊《自然・通讯》上。当一种材料的形状和磁场相联系时,就会发生磁致伸缩,也就是说,形状的改变会导致磁场的改变。这一特性可能是被称为磁电的新一代计算设备的关键。磁电芯片可以使从大型数据中心到手机的所有东西都更加节能,大幅降低世界计算基础设施的电力需求。磁电装置利用磁场代替电力来存储二进制数据中的数字1和0。微小的电脉冲就会使它们稍微膨胀或收缩,并将它们的磁场从正变为负,反之亦然。因此,它们不像现在的芯片那样需要稳定的电流,它们只需要一小部分的能量。


研究人员找到了一种方法,可以从廉价的铁和镓中“诱导”出高水平的磁致伸缩。研究人员使用了一种称为低温分子束外延的工艺,基本上将原子冻结在原地,防止它们在添加更多镓时形成有序结构。通过这种方法,研究人员能够使材料中的镓含量翻倍,与未修改的铁镓合金相比,其磁致伸缩性增加了10倍。该研究中制造的磁电装置有几微米大小,按计算标准来说是很大的。但研究人员正在与英特尔公司合作,设法将其缩小到更有用的尺寸,以便与该公司的磁电自旋轨道设备(或MESO)计划兼容,其目标之一是将磁电设备推向主流。


微评:当今大多数磁致伸缩材料都使用稀土元素,而稀土元素过于稀缺和昂贵,无法达到计算设备所需的数量。研究人员使用低温分子束外延技术,成功地研发出可以很低成本制造的磁电材料,开创了磁电材料在芯片制造领域实际应用的可能。




中国科大实现新型的固态自旋量子相干操控


近日,中国科大郭光灿院士团队在碳化硅色心自旋操控研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时、王俊峰等人与匈牙利魏格纳物理研究中心Adam Gali教授合作,在国际上首次实现了反斯托克斯激发的固态自旋体系的相干操控,该技术在量子信息处理及量子精密测量中具有重要用途。研究成果5月28日发表在国际知名期刊《自然・通讯》上。


固态自旋色心是实现量子计算、量子网络和量子精密测量的重要物理体系。光探测磁共振(ODMR)技术是读取色心自旋信号的方法,也是实现各种量子技术的基础。传统的ODMR技术基于斯托克斯激发,即激发光的能量大于色心辐射光子的能量。研究团队首次在碳化硅的硅空位色心中实现了反斯托克斯激发下的ODMR探测,即激发光的能量小于色心辐射光子的能量。通过研究反斯托克斯激发硅空位色心的荧光与激光功率以及样品温度的关系,研究团队证明反斯托克斯荧光来自于声子辅助的单光子吸收过程,可用于全光的温度传感。在此基础上,对比反斯托克斯和斯托克斯激发下ODMR谱和激光功率,微波功率以及样品温度的关系,发现两种激发手段具有相似的变化规律,但是反斯托克斯激发的ODMR谱的对比度大约是斯托克斯激发的3倍。研究团队进一步实现了反斯托克斯激发下的硅空位色心自旋的相干操控,实验结果显示其信号对比度大约是后者的3倍。


微评:该研究工作为反斯托克斯激发的ODMR技术应用于量子信息处理和量子精密测量奠定了重要基础。