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物电院李福祥教授课题组在非平衡动力学研究取得新进展
发现和理解自然界的普适性规律是物理学的重要目标之一。Kibble-Zurek机制预测了非平衡系统在连续相变过程中因对称性自发破缺而导致的缺陷产生的普适行为，它可以解释宇宙早期大爆炸过程中缺陷（如磁单极子、宇宙弦等）的形成，也被普遍地用于理解凝聚态物理系统中连续相变产生的缺陷，如超导相变中的涡旋和磁性相变中的磁畴。然而，在拓扑相变中，并不存在对称性自发破缺，对拓扑相变的描述超越了传统的朗道相变理论的范式。因此，在拓扑相变中，Kibble-Zurek机制是否依然有效，是一个值得深入研究的问题。
近日，湖南大学物理与微电子科学学院李福祥教授团队通过研究一个具有丰富相变类型的高阶拓扑模型，探讨了不同相变类型及边界条件下Kibble-Zurek机制的适用性（图a）。他们发现，在系统经历一类特殊的高阶拓扑相变时，缺陷密度与淬火速率之间的标度关系不再符合传统Kibble-Zurek 机制的预测，并且表现出对边界条件的依赖性，即不同的边界条件会导致不同的标度指数（图b）。为了解释这种异常的标度行为，研究团队提出了一个严格可解的朗道-齐纳模型。该模型充分考虑了拓扑边缘带在相变过程中的关键作用，从而能够准确地描述高阶拓扑系统中缺陷产生的动力学过程（图c）。同时，他们还研究了体能隙闭合相变及多重临界点的情况，发现在这些相变类型中，传统Kibble-Zurek机制仍然有效且与边界条件无关（图d）。这些研究结果揭示了高阶拓扑系统中缺陷产生机制的新特征和规律，为探索拓扑相中的非平衡现象开辟了新的研究方向。
相关研究成果以“Defect Production across Higher-Order Phase Transitions beyond Kibble-Zurek Scaling”为题发表在《物理评论快报》上（Physical Review Letters），湖南大学物理与微电子科学学院为论文唯一单位，博士生邓孟华为第一作者，李福祥教授为通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
化工院白玉罡教授课题组在人工金属酶领域取得新进展一直以来，人类利用完整的微生物细胞作为催化体系来制备所需的产品，例如酿酒、酿醋和酸奶制作均已有了数千年的历史。近年来，人工金属酶（ArM）技术的发展为全细胞催化剂赋予了更强大的催化能力。然而，人工金属酶与全细胞催化剂的联用面临两大挑战，一是人工金属酶对环境高度敏感，二是人工金属酶本身在细胞内的组装（蛋白和非生物辅因子的连接过程）较为困难。
近日，湖南大学化学化工学院白玉罡教授课题组报道了一项突破性研究成果。该课题组成员利用液-液相分离（LLPS）技术，在大肠杆菌中创建出了由蛋白构成的人工隔室，为人工金属酶提供稳定的“庇护所”，从而成功开发了具备高活性和高稳定性的全细胞催化剂。这一技术被称为ArM-LLPS技术，它不仅能大幅提升单细胞催化效率，还在罹患结肠癌的小鼠模型中实现了靶向催化-原位产药过程，为癌症治疗提供了全新的潜在解决方案。
左：通过LLPS技术在大肠杆菌中创建人工隔室总示意图。人工金属酶与支架蛋白通过液-液相分离在大肠杆菌内形成人工隔室，创造出“庇护所”以提高其内部的人工金属酶的催化效率，由此构建出了具有高性能的大肠杆菌全细胞催化剂。在体内环境中，这些全细胞催化剂能够在特定位置将前药（Prodrugs）转化为活性药物（Drugs）。右：显微镜图像显示全细胞催化“庇护所”中经人工金属酶催化生成的荧光产物（蓝色）。在实验中，团队成功在LLPS隔室内的HS蛋白上构建出了多种人工金属酶，相比传统的周质策略，该技术显著提升了人工金属酶在单细胞中的含量。为验证ArM-LLPS技术的实际应用潜力，团队成员还构建了小鼠结肠癌模型，接受全细胞催化剂与前药组合治疗的小鼠，其治疗效果优于常规药物治疗组，且器官毒性和体重减轻情况大幅改善。这种“基于催化剂的靶向治疗”策略为癌症的靶向治疗提供了新的可能性。综上所述，人工金属酶与LLPS联用的ArM-LLPS技术展现了巨大潜力，可以带来高质、高效的全细胞催化剂系统。
相关研究成果以“Artificial Metalloenzyme Assembly in Cellular Compartments for Enhanced Catalysis”为题发表在国际顶尖期刊《自然·化学生物学》（Nature Chemical Biology）上。白玉罡教授为论文唯一通讯作者，湖南大学为第一通讯单位。化学化工学院博士后吴彤为论文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、湖南省科技厅以及湖南省研究生创新基金等方面的资助。
物电院方良副教授等人在光子拓扑自旋态研究方向取得新进展
拓扑缺陷在物理学上通常指场分布无法连续形变、物理量无法定义的特殊点，也称为奇点，在涡旋或拓扑结构中普遍存在。拓扑缺陷在宇宙学、流体动力学、空气动力学、声学以及生物学等学科领域也十分常见，并在某些应用中起着重要作用。近年来，探索拓扑结构的电磁类比在光学和光子学中引起了极大兴趣。在集成光子学领域，微纳波导是构建集成光子芯片的基本单元，倏逝场耦合是调控片上光路的重要手段。然而，当波导倏逝场发生耦合时近场自旋会如何演化，一直以来很少有人关注。
针对此疑问，湖南大学物理与微电子科学学院方良副教授等人研究了波导倏逝场耦合所表现出的偏振椭圆与自旋演化现象。研究发现，由于耦合引入的固有相位差，波导倏逝场原本平凡的横向自旋会转变为非平凡的拓扑自旋结构，表现为自旋场的涡旋或反涡旋态，并存在奇点，如图所示。该自旋拓扑态，是由波导固有的内在横向自旋与因耦合产生的外在纵向自旋共同作用的结果。纵向自旋分量在横向方向上呈反对称分布，当与耦合波导上下表面相反的横向自旋相连接时，就形成了反涡旋的拓扑态。进一步研究发现，高阶模的场分布因在横向方向上存在多个节点，在周期性耦合的情况下会形成自旋拓扑阵列。这一有趣的自旋现象拓展了光的拓扑学研究范畴，有望为集成光子平台多功能光子激发以及光与物质相互作用等前言研究提供新思路。
该研究成果以“Topological Spin States in 3D Coupled Electromagnetic Fields”为题在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表。湖南大学物理与微电子科学学院为论文唯一单位，方良副教授为第一作者兼通讯作者，项元江教授、陈钦俊副教授以及文双春教授为论文合作者。该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目资助。
土木院张超教授课题组在孔隙水冻结研究取得新进展孔隙水冻融机制是理解土体、岩石、混凝土与生物组织等多孔介质在低温下的复杂力学行为的理论基础，是寒区冻土工程、极地建造、逆境生态科学、海底可燃冰开采、火星与月壤水冰资源利用、生物组织低温保存等领域的共性科学问题。吸附水作为孔隙水的主要赋存形式，在非饱和状态下以纳米级水膜形式覆盖于固体颗粒表面，构成连接孔隙水的“隐形桥梁”。传统理论框架通常忽略吸附水的作用，认为不同孔隙的冻结过程相互独立，且冻结温度仅取决于孔径大小。然而，实验观测表明，孔隙水常发生级联冻结现象，即局部冰晶成核后，可触发大范围孔隙水的同步冻结。这一现象表明，多孔介质中存在一种未被揭示的孔隙水冻结传递机制。
针对上述问题，湖南大学张超教授课题组通过系统性实验，首次发现了吸附水可传递冻结而非连通孔隙水的奇妙现象。利用高速摄影技术，成功捕捉到冻结前沿沿吸附水膜跨液滴的定向传播过程，其传播速率约为液滴内部复辉阶段冰晶生长速率的40%，二者均符合晶体生长动力学理论预测。该现象揭示了颗粒表面吸附水在多孔介质孔隙水冻结传递中的关键作用。基于此，通过调控吸附水膜厚度或阻断其形成，可有效抑制冰晶的跨孔隙传递。该研究成果深化了对多孔介质冻结行为的理解，为冻土力学行为预测、地外行星水冰资源开发、新型材料研发、生物组织低温保存技术等领域具有潜在应用前景。
吸附水膜介导的跨液滴冻结传播过程。相关研究成果以“Water Nanofilms Facilitate Ice Crystal Growth across Droplets”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），湖南大学土木工程学院为该工作第一完成单位，张超教授为第一通讯作者，土木工程学院直博生胡绍杰为第一作者。土木工程学院陈仁朋教授、博士生赵宁宁，物理与微电子科学学院李福祥教授，苏黎世联邦理工学院Dani Or教授参与了本项工作。该工作得到国家自然科学基金项目支持。
教科院宋琼将老师研究成果在《British Educational Research Journal》发表近日，教育科学研究院宋琼将老师在教育学研究领域中取得新进展。该研究成果以“Effects of critical thinking instruction on Chinese college students with varying baseline critical thinking abilities: A quasi- experimental study”为题，发表于教育学国际期刊《British Educational Research Journal》。
批判性思维是大学生职业发展和学术成功的关键能力，但怎样的大学课程更能有效培养批判性思维能力仍存在争议。本研究在已有研究基础上进一步深入探讨不同类型的批判性思维课程干预如何影响不同初始批判性思维能力基础的中国大学生。研究采用准实验设计，通过收集来自两所大学的243名大学生在实验干预前后的数据，分别探讨了通用型干预（Generic Intervention）和融入型干预（Infusion Intervention）对不同批判性思维能力基础学生群体的效果。研究发现，与通用型干预相比，融入型干预对基础批判性思维能力中等的学生批判性思维能力的提升具有更显著的影响。该研究为中国大学生批判性思维能力的培养和干预提供了有效的启示，建议将批判性思维有效融入课程内容，而非单独教授，并根据学生的基础批判性思维能力高低因材施教，以提高教学效果。
湖南大学教育科学研究院宋琼将助理教授为论文第一作者，湖南大学为第一单位，该论文的其他合作者为香港大学刘钰晗博士和华中科技大学张青根副教授。《British Educational Research Journal》由英国教育研究协会主办，是英国教育研究领域的顶级期刊，享有广泛声誉。
周永波/尹双凤团队在胺合成领域取得系列重要新进展胺类结构单元是药物和生物活性分子中极为常见的重要组成部分。据相关统计，在近年来全球销量排名前200的畅销药物中，含有胺片段的药物占比超过70%。鉴于此，开发绿色、高效且高选择性的合成方法，以实现胺类化合物结构与功能的多样化，已成为现代有机合成、精细化工以及药物化学领域的重要研究方向之一。近日，化工院周永波/尹双凤团队在胺合成领域取得系列重要新进展。相关研究成果分别以“General (hetero)polyaryl amine synthesis via multicomponent cycloaromatization of amines”和“Divergent alkynylative difunctionalization of amide bonds through C-O deoxygenation versus C-N deamination”为题发表在《nature communications》上，以“Direct carbonyl reductive functionalizations by diphenylphosphine oxide”为题发表在《science advances》上。
光辉岁月 科创笃行湖南大学科研团队孜孜不懈
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来源 | 物电院 化工院 土木院 教科院原标题：《聚焦！近期科研成果速览！》