一周前沿科技盘点丨从概念到点亮LED，氢负离子电池首次实现充放电；告别盲目替换，AI智能优化基因表达效率

抖音热门 2025年09月22日 22:23 0 admin

氢负离子电池有望成为下一代储能技术。中科院科研团队成功研制新型电解质，构建出首例可充放电的氢负离子电池，迈出从理论到实践的关键一步。

传统基因优化常因过度使用高频密码子导致蛋白表达失败。科学家开发AI模型DeepCodon，智能保留关键稀有密码子，显著提升外源基因表达效率。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第160期。

《Nature》丨从概念到点亮LED，氢负离子电池首次实现充放电

一周前沿科技盘点丨从概念到点亮LED，氢负离子电池首次实现充放电；告别盲目替换，AI智能优化基因表达效率

氢负离子原型电池示意图

中国科学院大连化学物理研究所陈萍、曹湖军与张炜进团队在氢负离子导体及电池研发上取得重要突破。氢通常以质子、原子或负离子形式存在，其中氢负离子反应性强，是极具潜力的能量载体。氢负离子电池以氢负离子为“搬运工”进行能量存储，原理类似锂离子电池，但此前因缺乏理想电解质材料，始终停留在概念阶段。

2018年该团队启动相关研究，2023年提出“晶格畸变抑制电子电导”策略，开发出室温超快氢负离子导体。在此基础上，团队创新设计核壳结构复合材料：以稳定性高但离子导电性差的氢化钡（BaH₂）薄层包覆离子导电性好但稳定性不足的三氢化铈（CeH₃），形成3CeH₃@BaH₂。该材料兼具高氢负离子电导率、低电子电导率和优良热/电化学稳定性，是理想的电解质。

基于此，团队构建了首个氢负离子原型电池，采用氢化铝钠（NaAlH₄）为正极，二氢化铈（CeH₂）为负极。测试显示，正极首次放电容量达984 mAh/g，20次循环后仍保持402 mAh/g。通过叠层设计，电池电压升至1.9伏，成功点亮黄色LED灯，验证了其供电能力。这一成果标志着氢负离子电池从“概念”走向“实验验证”，为新型储能技术开辟了新路径。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09561-3

《BioDesign Research》丨告别盲目替换，AI智能优化基因表达效率

DeepCodon示意图

在合成生物学与工业生物制造中，密码子优化是提高外源基因在工程菌中表达水平的核心技术。传统方法主要依赖将稀有密码子替换为宿主偏好的高频密码子，虽能提升表达，但常破坏序列中调控蛋白正确折叠和翻译节奏的“稀有密码子簇”，反而导致蛋白不表达或错误折叠。

中国科学院天津工业生物技术研究所江会锋团队在该领域取得新进展，开发出基于深度学习的密码子优化模型DeepCodon。该模型通过人工智能学习天然高表达基因的密码子选择规律，建立从蛋白质序列到最优编码序列的“翻译映射”。在大规模数据训练基础上，结合高表达基因微调，使生成的序列兼具高表达潜力与生物合理性。

与传统方法不同，DeepCodon引入条件概率策略，优先保护进化保守、功能相关的稀有密码子簇，避免翻译过程中的拥堵与错误折叠风险，在提升整体密码子偏好性的同时保留关键调控信息。实验验证中，团队对20个基因分别用DeepCodon和传统方法优化，并在大肠杆菌中表达。结果表明，9个基因表达显著高于传统方法，10个相当，仅1个略低，整体表现更优。目前，该工具已面向大肠杆菌应用，并提供免费在线优化服务，为高效生物制造提供了智能化新工具。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2693125725000433

《National Science Review》丨钢材也能“抗疲劳”？新工艺让强度提升26%

金属材料抗疲劳设计“四原则”以及冷拔珠光体钢丝疲劳强度突破世界纪录

疲劳强度是决定材料和工程构件寿命的关键指标，提升该性能可增强可靠性、实现轻量化并提高能源效率。中国科学院金属研究所张哲峰团队在金属材料抗疲劳研究中取得重大突破，提出提升疲劳强度的“四原则”，并在冷拔珠光体钢丝中实现2017 MPa的拉-拉疲劳强度，将原世界纪录（1600 MPa）提高26%，达到当前全球最高水平。

该团队提出抗疲劳设计“四原则”：高弹性模量以提升理论强度上限；“细、稳、匀”的微观组织避免强度薄弱区；极小尺寸夹杂物或缺陷以降低应力集中；优异的拉伸性能，兼具高弹性极限和应变硬化能力。基于此，研究选用高弹性模量的钢，聚焦组织极细且稳定的珠光体钢，通过冷拔工艺形成强<110>织构，消除弱取向片层，提升组织均匀性。结合固溶强化、加工硬化与晶界强化，材料实现2850 MPa的超高弹性极限和3525 MPa的抗拉强度，有效抑制疲劳裂纹萌生。

同时，通过超纯净冶炼和多道次拉拔，钢丝中夹杂物平均尺寸降至1.38 μm，并保留一定应变硬化能力，缓解缺陷周围应力集中。最终，该冷拔珠光体钢丝不仅刷新拉-拉疲劳强度纪录，也提升了比疲劳强度，为高强度材料的设计与工程应用提供了新理论和新路径。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf332

《SCIENCE CHINA Life Sciences》丨从大脑到肝脏，激素“指挥网络”被揭开

人类激素-受体跨器官的互作网络图

人类激素受体在发育与生理调控中至关重要，但长期以来缺乏系统性研究。中国科学院遗传与发育生物学研究所王秀杰研究组整合基因组、转录组和单细胞多组学数据，对151个人类激素受体进行全面分析，揭示其分布、功能及与衰老、性别和疾病的关联。

研究发现，核激素受体广泛表达于多种组织，而膜受体更具细胞特异性。超过一半为肽类激素受体，NR4A1、NR4A2和NR3C1等在多种细胞中高表达，提示其核心生理作用。单细胞分析显示，超100个受体表达随年龄变化，女性生殖系统尤为显著，NR4A2和DRD4等上调或与癌症风险增加有关。部分受体在非生殖组织中也存在性别差异表达，参与性别特异性调控。

疾病关联分析表明，所有151个受体均与至少一种疾病相关，涵盖神经疾病、癌症和代谢病等，其中六成以上已是FDA批准药物的靶点。团队构建“受体–疾病”网络，助力新药靶点发现。此外，研究绘制了性别特异的跨器官激素互作网络，发现大脑居调控核心，肝脏、肾上腺、生殖系统等也起关键作用。男性在肝–肺、心–肾等器官间调控更强，女性生殖系统对外周器官影响更广。团队还开发了可视化软件，方便科研人员查询激素–受体–器官互作关系，为精准医学提供重要资源。

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s11427-024-2950-4

《The Astrophysical Journal Supplemental Series》丨告别手动分析，AI自动追踪太阳风暴三维路径

日冕物质抛射自动三维重建方法流程示意图

日冕物质抛射（CME）是太阳最剧烈的能量爆发，可引发灾害性空间天气，威胁卫星、电网等设施。准确重建其三维结构并预测其传播路径，对空间天气预报至关重要。中国科学院国家空间科学中心沈芳团队提出一种基于双视角日冕仪观测与机器学习相结合的CME自动三维重建新方法。

该方法利用卷积神经网络提取日冕图像中的CME特征，结合主成分分析和最大类间方差法准确定位CME在双视角图像中的位置。随后，构建目标函数衡量观测图像与模型投影的相似度，将三维重建问题转化为最优化问题，并采用差分进化算法求解最优参数，实现CME三维结构的自动重建。

研究团队应用该方法处理了97个CME事件，构建了高质量数据集。统计分析表明，传统基于二维观测的参数易受投影效应影响而产生偏差，而该方法重建的三维参数更接近真实情况。相比传统依赖人工比对特征、调整参数的方式，该方法完全自动化，效率高、一致性好，重建结果与实际观测图像高度吻合。

该技术不仅能准确还原CME的三维形态和运动参数，还可快速为行星际传播数值模拟提供初始输入，提升其到达地球时间的预测精度。未来，该方法有望应用于太阳极轨、L5点等多角度观测任务，推动CME立体监测与预报能力的全面提升。

原文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/adf433

《Science Advances》丨从蝉翅膀学到黑科技，声学设备迎来材料突破

蝉肋骨膜的层状交替结构及仿生制备

传统聚合物、金属、陶瓷声学换能器所用薄膜材料，往往难以同时具备高强度、高韧性和优良的抗疲劳性能，制约声学换能器在高灵敏度响应和长期稳定性方面的表现。因此，开发综合性能优异、适用于高性能声学换能器的薄膜材料，是当前面临的重要技术挑战。

中国科学技术大学程群峰课题组与中国科学院理化技术研究所李明珠课题组合作，在仿生限域组装和声学换能器应用方面取得进展。

科研团队解析蝉发声器官——蝉肋骨膜的结构与性能关系，并据此仿生制备出可用于声学换能器的高性能仿生薄膜。团队发现，蝉肋骨膜中软弹性蛋白层与硬几丁质层交替排列的结构，是其优异力学性能的关键，即硬质层承担机械负荷，软质层通过大变形能力延缓裂纹扩展。基于这一机理，团队采用层层交替旋涂限域构筑与界面交联策略，制备出具有仿生软硬交替结构的全有机复合薄膜。在限域条件下，聚合物分子链之间的缠结作用增强，使该仿生薄膜同时具备高拉伸强度、韧性和耐疲劳性能。这些特性使其能够兼顾高效声能输出与长期稳定的声传播性能，其基本共振频率和振幅均优于现有商业化薄膜。

上述研究为设计高性能声学换能器提供了新思路。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx9248