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从地表水到海洋最深处的海沟，从土壤到地壳中的岩石，生命在我们的星球上无处不在。地球上“深部生命”的总生物量超过了地球表面上所有其他动植物生物量的总和。目前地球上最“深”的生命发现于陆地下约5 km和海平面下约10.5 km处。深部生命在黑暗的、缺乏能量供给的条件下生长，并且在以百万年为单位的时间中以特有的方式进化着。迄今为止，地球的深部生命未揭开其神秘的面纱，它将启发人们对生命起源和地外移居星球进行新的探索。
随着矿物种类多样性、矿物（时空）分布特征和矿物性质等领域海量数据的快速增长，矿物学迎来了数据驱动型研究发现的新纪元。当前，最全面的国际性矿物数据库是IMA 数据库和mindat.org 数据库，其中，IMA 数据库包含了超过5300 种被国际矿物学协会（International Mineralogical Association，IMA）批准认可的矿物及其属性信息。此外，mindat.org 数据库包含了超过100 万种矿物种类及其产地信息，这些矿物来自于世界各地，有登记在册的产地来源就超过了30 万个。采用各种现代化分析方法对这些海量地学数据进行分析解读和可视化处理，进一步增进了对地球圈和生物圈协同演化过程的理解认识，这些分析方法包括chord 图、cluster 图、Klee 图、skyline 图，以及各式各样的网络分析方法。新型数据驱动型分析策略包括矿物演化分析、矿物生态学分析和矿物网络分析，这些分析策略能够系统性地综合考虑矿物的时空分布特征及其多样性。这些分析策略正在增进对矿物共生现象的深入认识，并且首次推动了对“地球上存在但尚未被发现和记录在册矿物”的预测。
近些年来，在全球不同地区的一些蛇绿岩地幔橄榄岩和铬铁矿中发现了微粒金刚石和其他异常矿物，包括呈斯石英假象的柯石英、碳化硅、青松矿、自然元素矿物、金属合金以及一些壳源矿物（如锆石、石英、角闪石和金红石）。西藏罗布莎铬铁矿中的柯石英和蓝晶石呈针柱状集合体交生在一起，产在钛铁合金矿物的边部，这些柯石英集合体可能代表了更高压相的斯石英发生退变后形成的假象矿物。蓝晶石、柯石英、青松矿包裹体（一种立方晶系的氮化硼）以及TiO2 II（金红石的高压相矿物）等矿物的发现指示铬铁矿形成的温压条件可能达到10~15 GPa、约1300 ℃，深度达大于380 km 的地幔转换带（mantle transition zone，MTZ）深度。碳化硅、自然元素矿物以及金属合金矿物的产出指示了一个超还原的地质环境。与金伯利岩、变质岩和陨石中的金刚石相比，蛇绿岩中的金刚石具有较轻的碳同位素组成以及不同类型的矿物包裹体，指示其碳物质可能源于地表的有机碳，经历了俯冲板片在深部的再循环作用。金刚石在蛇绿岩地幔橄榄岩和铬铁矿中的普遍存在，表明大洋地幔可能是一个重要的碳储库。蛇绿岩型金刚石的发现证明了浅部碳可以俯冲至深部地幔。蛇绿岩型金刚石为研究地球的深部碳循环提供了新窗口。
地球是一个动态系统。从常温常压到地核的360 GPa 和6600 K，地球的热力学状态随着深度的变化而发生很大变化。因此，地球成分（如硅酸盐和碳酸盐矿物）的物理和化学性质受其所处环境的显著影响。在过去的30 年中，在极端条件下的材料表征的实验技术和理论模拟方法都取得了巨大的进步。这些进步提升了我们对矿物特性的理解，这对于充分认识这个星球的形成及其生命起源至关重要。本文回顾了用于预测极端条件下材料性质的最新计算技术，本研究仅限于应用第一原理分子动力学（first principle molecular dynamics, FPMD）方法研究与地球科学相关的化学和热力学输运过程。
在众多领域中都需要扩大Kawai型碳化钨（tungsten carbide, WC）多面砧压机的压力范围，尤其是在地球科学领域。然而，40年来，在压力产生方面没有取得重大进展。我们最近的研究已经将采用碳化钨压砧的Kawai型多面砧压机的压力产生范围扩大到65 GPa，这是该装置高压产生范围的世界纪录，比传统压力产生范围增大了2.5倍以上。我们还成功地在高温下产生了约50 GPa的压力。本文回顾了我们最近发展的高压技术。室温和高温下高压的产生是通过以下技术的结合来实现的：①精确对准的滑块系统；②高硬度的二级压砧；③二级砧面锥形化；④由高体积模量材料组成的高压腔体；⑤炉体隔热性高。我们的高压技术将有助于研究在下地幔上部条件下材料的相稳定性和物理性质，并且能够合成和表征新材料。
下地幔占地球体积一半以上。在高温高压下对下地幔真实组分所开展的矿物学和岩石学实验是了解深部地幔演化过程的必要途径。激光加热的金刚石对顶压砧（laser-heated diamond anvil cell, LHDAC）是开展这类高温高压实验最常用的工具，实验产物通常包括从上百纳米到数微米尺寸不一的大量晶粒所组成的多相集合体。这些下地幔相的晶体结构往往不能在卸压后保存下来，因此必须对它们进行原位表征。相对于同步辐射光源设备中可用的聚焦X射线光斑尺寸（3~5 μm），晶粒尺寸要小一个量级，所得到的X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）图谱通常显示为衍射斑点和衍射环的混合。由于多相衍射峰重叠严重，粉晶X射线衍射法无法对新相和弱相进行鉴定，因此采用传统XRD技术测定高温高压下多相混合物非常困难。我们最近在高压研究中所发展的同步辐射多晶X射线衍射法可以通过测定多相组合中成千上百个晶粒各自的晶面取向，使多相体系中单晶的指标化成为可能。一旦完成指标化，多晶混合物中的每一个晶粒都可以看作是单晶。因此，我们可以同时确定多相体系中新相和弱相的晶体结构。随着这一新方法的发展，我们开辟了深下地幔高温高压条件下的结晶学新领域。本文阐述了多相体系研究中的关键技术挑战，并通过高压多相X射线衍射法的成功应用实例，论证了该方法的独特能力。
在整个地质历史时期，海相碳酸盐岩和碳酸盐化洋壳俯冲到地球深部并通过火山作用将再循环碳排放至地表的过程对地球大气圈、生物圈和气候变化有着重大影响。识别地幔中再循环的碳酸盐岩并估计其通量对理解全球深部碳循环（deep carbon cycle, DCC）具有至关重要的意义。本文总结了近年来使用二价金属稳定同位素（如钙、镁、锌）示踪深部碳循环的研究进展。这三个同位素体系在海相碳酸盐岩和地幔之间存在明显同位素差异，使其成为深部碳循环的新兴示踪计。最新的研究已经观察到全球多个地区的玄武岩中存在钙、镁、锌同位素异常，揭示了再循环碳酸盐岩能够进入地幔甚至地幔过渡带（410~660 km）。然而，该解释仍存在诸多问题，因为其他地质过程也可能产生与沉积碳酸盐加入源区相似的同位素分馏效应，包括部分熔融过程、碳酸盐化榴辉岩的再循环、金属和碳的分离，以及同位素扩散效应等。在讨论幔源岩石的金属同位素异常时，如何排除以上影响因素对应用这些同位素示踪深部碳循环至关重要。本文详细评估和讨论了这些过程对金属同位素示踪深部碳循环的影响，并总结了排除这些干扰的可能解决方案。综合考虑以上因素，我们论证了中国东部新生代玄武岩镁、锌同位素异常是由富镁、锌的沉积碳酸盐岩再循环进入地幔源区导致的。
中浅层越来越难以发现新的大型油气藏，世界油气勘探有向深层-超深层进军的趋势。近些年来，中国在超深层领域，包括在碳酸盐岩和碎屑岩储层中，取得了令人瞩目的油气勘探成果，发现了（超）大型油（气）田。为了分享这些油气藏的勘探开发经验，本文从油气成藏机理和关键技术两方面进行了总结。超深层油气来源于多元供烃和多期充注。由于低地温梯度或超压作用，在超深层仍然可发育液态烃；且由于深部烃-水-岩反应或深源气体的加入而使超深层天然气组分复杂化。这些油气主要储存于原始高能礁滩或砂体沉积体中，它们具有较高的原始孔隙度。后期溶蚀、白云岩化、破裂作用常使得储层次生孔隙发育。而烃类较早充注等保持性成岩作用，则使得早期孔隙得以保存至今。超深层油气成藏一般呈现近源富集和持续保存的规律。超深层油气藏的有效勘探开发，离不开关键技术的支撑。采用最新的地震信号采集及处理、低孔渗带预测和气水识别等技术，使得超深层油气得以被发现；而先进的钻完井和油气测试技术，则保证了这些油气田的有效开发。
利用Focus GS-DSQ II系列单四极杆质谱仪（Thermo Scientific, USA）对俄罗斯雅库特乌达奇纳亚金伯利岩管中两种极稀有的含金刚石的橄榄岩捕虏体中的金刚石、伴生石榴石（镁铝榴石）和橄榄石中的挥发物进行了气相色谱-质谱（GC-MS）分析。这些捕虏体根据共生矿物组成不同可分为石榴石二辉橄榄岩和石榴石纯橄岩。与含有中等钙组分含量（约15%，摩尔分数）的石榴石二辉橄榄岩不同，纯橄岩含有低钙组分含量（小于10%，摩尔分数）的亚钙铬石榴石。金刚石、石榴石和橄榄石中均含有主要的碳氢化合物及其衍生物，如脂肪族（烷烃、烯烃）、环类（环烷烃、芳烃）、含氧碳氢化合物（醇类、醚类）和杂环类（二噁烷、呋喃类）碳氢化合物，硝化、氯化和磺化化合物，二氧化碳和水。其中，金刚石的碳氢化合物总含量（相对百分比）为79.7%，石榴石的碳氢化合物总含量为69.1%，橄榄石的碳氢化合物总含量为92.6%，总碳氢化合物含量为161%~206%。关于金刚石、伴生石榴石和橄榄石中挥发物的最新数据表明，在某些上地幔区域，存在大量的碳氢化合物以及氮气、二氧化碳和水。
纳米级透射X射线显微镜（nanoscale transmission X-ray microscopy, nanoTXM）与金刚石对顶砧（diamond anvil cell, DAC）的结合，具有在极端条件下对材料进行高分辨率、非破坏性三维成像的巨大潜能。在本文中，我们讨论了当前高分辨率X射线成像的发展状况及其在第三代同步加速器X射线源中基于DAC的高压nanoTXM实验中的应用，包括为成功测量所需要的技术方面的考虑。接下来，展示了一些近期的原位高压测量结果，这些测量研究了无定形或低结晶材料的状态方程（equations of state, EOS）以及压力诱导的相变和电子变化。这些结果表明从凝聚态物理和固态化学到材料科学和行星内部研究，nanoTXM技术在广泛的研究领域中具有应用潜力。最后，对于这项振奋人心的技术，我们讨论了它的未来发展方向以及提高其在高压科学中更宽泛适用性的机遇。
为了解蛇纹石矿物在全球碳循环中的作用，我们以二氧化碳（CO2）为压力介质，对蛇纹石[Mg3Si2O5(OH)4]进行了高压X射线衍射（XRD）实验研究。同步辐射XRD图谱表明，在170 ℃和2.5(1) GPa条件下，样品加热1 h后形成了菱镁矿和纤蛇纹石高压相。Rietveld精修结果表明，在菱镁矿形成时，初始的纤蛇纹石晶胞组成变为Mg2.4(1)Si2O5(OH)2.4(1)，这似乎是由于最内层羟基（OH3）的脱氢和M1位置上镁元素的重新排布，从而导致亚稳态单层脱羟基纤蛇纹石的形成。亚稳态纤蛇纹石压力和温度测量至5.0(1) GPa和500 ℃，这与苏门答腊南部和琉球俯冲带所在的莫霍板块地热温压条件相对应。在恢复到常温常压条件后，最初的纤维状纤蛇纹石已转变为土状。这些结果可以帮助我们了解沿俯冲带分布的深部碳循环作用过程，并可能促使设计利用压力和温度对石棉解毒的一种新方法。
深古菌门具有复杂的亚群分类，是地球上丰度最高的微生物之一。然而，深古菌的代谢特征和演化历史仍然有待进一步研究。本研究对来自10个不同亚群的15个新获得和36个已经发表的深古菌基因组进行了比较基因组分析，揭示了深古菌门的核心代谢特征，即蛋白质、脂质、芳香族化合物降解，糖酵解途径和Wood–Ljungdahl (WL) 途径。上述核心代谢特征表明深古菌使用乙酰辅酶A作为重要的代谢中间物。此外，部分深古菌亚群还具有不完整的柠檬酸循环、产乙酸途径和硫化物相关的代谢潜能，表明不同亚群具有多样的代谢能力和生态功能。亚群Bathy-21和Bathy-22位于深古菌系统发育树根部，是目前已知最古老的两个深古菌亚群。它们广泛分布于热液（泉）环境中，并编码超嗜热适应性特征的标记基因逆促旋酶（reverse gyrase, rgy）。综上，本研究对深古菌门的核心代谢能力进行了系统性研究和总结，并揭示了深古菌热环境起源的演化历史。
理论和实验研究都表明，极端高压条件下氢气和众多金属或非金属所构成的二元体系化合物的物理性质显著增强，这使得含氢二元体系成为高压科学领域的重要研究对象。尽管氢气的化学性质活泼，但一些贵金属（如铜、银、金）依旧很难在常温常压下与氢气反应生成相应的金属氢化物，截至目前，没有任何贵金属与氢的摩尔比大于1的稳定化合物被报道。在本研究中，我们通过结合原位激光加热，在金刚石对顶砧压腔中通过氢气和金属铜单质反应成功合成了铜-氢二元化合物。通过对X射线衍射数据进行分析，我们探究了从常压到最高50 GPa压力范围内铜-氢体系的相行为和稳定性。该实验证实了前期理论预测的三个铜-氢化合物相：γ0-CuH0.15、γ1-CuH0.5和ε-Cu2H。更值得一提的是，该研究还通过对金刚石对顶砧腔体内部样品进行激光加热，合成了目前已知的室温下最高氢含量和稳定性的贵金属氢化物γ2-CuH0.65。该项研究加深了人们对于过渡金属-氢化合物体系的认知，同时，通过该实验合成的氢化物由于具有很高的含氢量，有望被设计成理想的储氢材料。
全球对运输能源的需求巨大且不断增长，主要由在内燃机（ICE）中燃烧的石油衍生液体燃料来满足。此外，未来对航空燃油和柴油需求的增长速度预计将快于对汽油的需求，可能会使低辛烷值汽油更容易获得。许多重大措施力争发展电池电动汽车（BEV）和燃料电池作为内燃机汽车的替代品，并寻求如生物燃料和天然气等燃料作为传统液体燃料的替代燃料。然而，这些替代方案中的研究基础都非常薄弱，并且还要克服重大障碍从而快速自由地发展。因此，在未来几十年内，运输（特别是商业运输）将继续主要由燃用石油基液体燃料的内燃机提供动力。因此，只有通过改进内燃机才能确保交通运输的可承受性、能源安全，控制对温室气体（GHG）排放和空气质量的影响。实际上，内燃机在使用目前市场上燃料的同时，通过改进燃烧系统、控制系统和后处理系统，以及在部分电气化混动辅助下将进一步得到改进。然而，通过改进燃料/ 发动机系统，内燃机依旧还有很多发展空间，可以使我们更多地利用制造燃料过程中的收益并使用易于获得的部件。如汽油压燃（GCI），可在压缩点火发动机中使用低辛烷值汽油，使汽油受压缩着火。与现代柴油发动机相比，GCI可以实现接近柴油机的效率，且在成本更低的情况下较易控制氮氧化物（NOx）和颗粒物的排放。按需辛烷值（OOD）还有助于优化燃料的抗爆性能，从而提高系统的整体效率。
内燃机（ICE）对于汽车是有吸引力的动力源，具有良好的可储存性、可运输性，同时需要供应高能量密度的液体燃料。具有高性能和低环境危害的紧凑型内燃机是内燃机发展趋势。未来必须把燃油喷雾智能主动控制的燃烧作为解决传统内燃机相关重大问题（如排放）的突破性技术。已发展出在喷雾期间形成预期的燃料喷射速率和喷射模式的技术，并且传统内燃机可以在一定程度上控制燃烧。但是在燃烧范围内，燃料在空间上的扩散并未取得预期进展。因此，对于燃烧的智能控制，新且有效的燃油喷雾主动控制技术是非常必要的。空化、闪蒸、喷雾- 喷雾相互作用、喷雾-壁面相互作用和空气流动是有可能实现燃油喷雾形态主动控制的基础。本文使用文献中的论据来讨论未来喷雾燃烧的智能紧凑内燃机中喷雾形态主动控制技术的可能性。
本研究提出并设计了一种新颖的二冲程增压直流扫气式直喷汽油（BUSDIG）发动机，以实现发动机小型化和低速化，进而提升发动机的性能和效率。本文综述了BUSDIG 发动机的设计和开发过程，并总结了主要的研究成果。为了最大限度地提高发动机的扫气性能，并实现合理的缸内流动以促进燃油/ 空气的混合过程，本研究采用三维（3D）计算流体动力学（CFD）模拟手段系统分析了发动机缸径/ 冲程比（B/S）、扫气道角度和进气道的设计。此外，本研究还系统分析了扫气口和排气门开启型线对扫气过程的影响。为实现最佳的缸内燃油分层，采用经过实验标定的Reize-Diwakar模型开展了缸内喷雾的CFD 模拟，系统分析了不同喷油策略对缸内混合气形成过程的影响。基于优化后的BUSDIG 发动机设计方案，在Ricardo WAVE 软件中构建了对应的一维（1D）发动机计算模型。计算结果表明，采用稀薄燃烧和喷水策略，二冲程BUSDIG发动机的最高有效热效率可达47.2%。在化学计量燃空当量比条件下，BUSDIG 发动机在1600 r∙min–1 的转速下可实现379 N∙m 的扭矩，在4000 r∙min–1 的转速下可达到112 kW∙L–1 的功率密度。
双燃料预混压燃（dual-fuel premixed charge compression ignition, DF-PCCI）燃烧因其氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放低而被认为是重载压燃发动机中传统柴油燃烧的可行替代方案。当天然气（NG）应用于DF-PCCI发动机时，其低反应活性降低了高负荷下的最大压升率。然而，天然气- 柴油DF-PCCI发动机在低负荷工况运行时存在燃烧效率低的问题。为了降低低负荷工况下的燃料消耗率、未燃碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）排放，本文研究了DF-PCCI发动机中供给燃料（天然气和柴油）的喷射策略。研究发现，天然气替代率和柴油喷射时刻（start of energizing, SOE）的改变有效地控制了燃料- 空气混合气的形成。采用柴油两次喷射策略可以调节混合气的局部反应活性。预喷柴油SOE 的延迟和预喷柴油喷射量的减少有利于降低燃烧损失。废气再循环（EGR）的引入通过推迟燃烧相位改善了燃料经济性并将NOx 和PM 排放降低至欧六（Euro Ⅵ）标准以下。结合40％天然气替代率，柴油两次喷射策略和中等EGR 率可以在低负荷工况下有效提高燃烧效率与指示效率，并降低HC和CO排放。
汽油压燃（GCI）是一种极具发展前景的低排放、高效率燃烧技术。然而，低负荷燃烧稳定性和冷启动是GCI燃烧面临的两大挑战。为了解决这些问题，研究人员提出了负气门重叠角（NVO）、喷油策略优化、燃油重整和进气预热等策略，然而，冷启动难题却仍然有待解决。本文的目标正是研究实现GCI发动机冷启动的切实可行的方法。本研究结合了NVO、缸内燃油重整和进气预热，以实现在冷机和冷边界条件下GCI发动机的着火和随后的热机工况。结果表明，喷油开始时刻（SOI）在进气冲程时具有最佳的燃油经济性；SOI在压缩冲程期间可有效拓展发动机小负荷极限；SOI在NVO期间则可实现发动机在冷进气和冷却液未预热条件下的稳定燃烧。考虑到NVO喷油策略具有未燃混合气活性强、缸内热积累速度快的特点，该策略非常适合用于实现GCI的冷机着火。在冷启动过程中，实现GCI发动机的着火还需要一些辅助措施，如进气加热，以启动第一个着火循环。通过NVO策略、缸内燃油重整和进气预热的组合，本文实现了GCI发动机在5个燃烧循环内的成功着火。启动过程结束后，发动机无需再采用进气预热即可实现稳定运行。
本研究采用浸渍法制备了Pt-Ba-Ce/γ-Al2O3催化剂，利用实验评价了H2 对NSR（NOx storage and reduction）催化剂存储和还原机理的影响，并采用综合表征技术研究了Pt-Ba-Ce /γ-Al2O3 催化剂的理化性能。结果表明，透射电子显微镜（TEM）显示X 射线衍射（XRD）光谱中观察到的PtOx、CeO2 和BaCO3 峰很好地分散在γ-Al2O3 上，X 射线光电子能谱（XPS）检测到Ce3+ 和Ce4+ 之间的差异，Ce3+ 和Ce4+ 促进了活性氧在催化剂上的迁移。在NOx 完全存储- 还原实验中，NO2 产量的增加使NOx 的存储能力在250~350 ℃ 的温度范围内大大提高， 在350 ℃ 达到最大值315.3 μmol·g–1。在NOx 吸附和脱附循环实验中，随着H2暴露时间（30 s、45 s 和60 s）延长，NOx 的存储效率和转化率增加。当稀燃和富燃持续时间分别为240 s 和60 s 时，催化剂的NOx 最大转化率达到83.5%。适当增加H2量加速了硝酸盐或亚硝酸盐的分解，有利于NOx 存储-还原，并促进了下一循环NSR吸附位点的再生。
蠕动在自然界中广泛存在，这种将营养输送到身体各个部位的泵送活动在消化系统中是重要的。在本文中，我们提出了一种由肌肉驱动的管状微型泵，这种微型泵可以用于蠕动输送。我们利用在骨骼肌细胞膜上表达光敏感通道-2（ChR2）的果蝇幼虫获得具有光响应性的肌肉组织。幼虫在蓝光刺激下强制性地表现出肌肉收缩。在改变传播光刺激的速度的同时，我们观察到收缩的肌肉组织表面出现了位移。我们通过将幼虫解剖成管状结构以获得蠕动泵。解剖得到的管状结构的平均内径约为400 μm，平均外径约为750 μm。可以用相同的蓝光刺激来控制这些管状结构的收缩。为了观察内部流动，我们将微珠放入蠕动泵中，并确认泵可以以120 μm·s–1的速度输送微珠。
按需滴化微喷射（DOD）生物打印技术以其高通量效率和高成本效益在组织工程中得到了广泛的应用。然而，这种类型的生物打印技术面临诸如星形液滴产生、过大的液滴生成和过低的液滴速度等问题。这些问题降低了DOD打印技术的稳定性和精度，打乱了细胞排列，进一步产生结构误差。为了解决这些问题，本文提出了一种基于全连接神经网络（FCNN）的DOD打印参数多目标优化（MOO）设计方法。该MOO问题包括两个目标函数：利用FCNN开发星形液滴产生模型；减小液滴直径，提高液滴速度。为了寻找MOO 问题的帕累托最优解集，本文提出了结合采用Adam算法的混合子梯度下降束法（MSGDB），并采用基于自适应学习速率算法的混合子梯度下降束法（HMSGDBA）。通过与MSGDB的比较研究，证明了HMSGDBA 的优越性。实验结果表明，使用该方法优化可得到稳定的单滴打印过程，液滴速度由0.88 m·s–1 提高到2.08 m·s–1。该方法能提高打印精度和稳定性，对实现精密细胞阵列和复杂的生物功能具有重要意义。此外，对细胞打印实验平台的搭建具有指导意义。