冉冉升起的北方科研之星 | 推广

河南大学在半导体、量子点和作物固氮等方向上的突破性研究已成为其成功的关键。

培养科研能力帮助河南大学提高了学术声望。来源：ASO FUJITA/amana images/Getty

河南大学是中国正迅速崛起的高校之一。河南大学地处华北北部的开封市，在2023年自然指数（Nature Index）中国科研产出增长最快的50家科研机构榜单中排第37位。

河南大学的高质量论文产出迅速增加，同时培养了一批本土科研人才，取得了一系列具有全球影响力的重大发现。以增产为目标的作物生物学研究，以及借助量子点技术制造亮度更高、寿命更长的数字显示器，是河南大学最重要的两大研究领域。

来自省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室的生物学家、豆科作物研究团队负责人王学路说：“河南大学学科齐全、历史悠久。在这里，我们能够组建起拥有多学科背景的研究团队。”

他还补充道，河南省总人口近1亿，有助于河南大学招收高素质的学生和教职员工，并实现排名的迅速攀升。

河南大学的王学路表示，理解固氮相关的分子机制有助于提高大豆的固氮能力。来源：河南大学

农业固氮

王学路表示，河南是中国的农业大省之一，是开展农业基础和应用研究的极佳地点。他的研究聚焦于豆科作物和固氮细菌共生关系的分子机制。

氮是植物生长所需的关键元素。尽管大气中氮含量丰富，但其需要被转化为氨等可利用的形式才能被植物吸收利用。陆生植物和动物体内60%的氮都来源于细菌作用。这些细菌定居在大豆等豆科植物特有的根瘤中，将游离氮转化或“固定”为氨。

对于根瘤如何形成这个问题，人们的了解并不充分。但在2021年发表的一篇重要论文中，王学路及其团队发现，光信号和植物地上部分的光合产物都是根瘤形成所必需的¹。这项研究发现，光会触发GmSTF3/4和GmFT2蛋白的表达，它们从大豆的地上部分移动到地下部分，启动结瘤过程。

“我们发现了光调控共生结瘤和固氮的分子机制，”王学路说，“通过该机制，豆科植物巧妙地整合了地上光信号和地下根瘤菌信号，以启动共生结瘤。”

该发现有望减轻人类对氮肥的依赖。例如，这些新发现或能帮助研究人员实现人为控制的固氮，包括在非豆科植物上触发固氮。

在后续一项研究中，王学路及其团队进一步揭示了植物感知细胞能量状态，调控碳源在固氮和其他细胞活动之间再分配的分子机制，并阐明了其中的信号传导是如何通过特定蛋白实现的²。“这一发现为优化碳源利用，设计在不同条件下都能高效固氮并茁壮生长的豆科作物提供了新靶点。”他解释道。

王学路团队还对不同的大豆品种开展了全基因组关联分析（GWAS）³，从而“发现了豆科植物和根瘤菌重要的共进化机制”，为高效固氮豆科作物的设计提供了分子工具。

“我们的发现为大豆或其他与根瘤菌共生的豆科作物的分子设计育种、实现高效共生固氮提供了基础，”王学路补充说，“这能减轻对工业氮肥的依赖，有利于可持续农业发展。”

河南大学的投入不仅限于作物科学领域。河南大学材料与工程学院的材料科学家申怀彬表示，他领导的半导体和量子点研究团队得到了学校的大力支持。

他解释说：“全球显示器（产业）正在飞速发展，而量子点已成为该领域内的领先技术。”2023年10月，诺贝尔化学奖被授予三位美国科学家，以表彰他们在量子点领域所做出的贡献。

量子点是由数十个原子组成的半导体颗粒。它们有望带来更加便宜经济、更加持久的显示器，并且已经改变了电视屏幕。

然而，量子点发光二极管（QD-LED）无法在低电压下产生高亮度，这阻碍了量子点技术的应用和发展。

为此，申怀彬团队正在与中国科学技术大学的樊逢佳教授合作攻关。如今的QD-LED电视利用传统的LED光源激发量子点。相较于液晶显示器，让电流直接通过量子点将会更加高效节能。但制造亮度和效率兼备的QD-LED一直是个难题。

当前，QD-LED发热会带来器件效率降低和加速老化等问题。“器件稳定性是制造QD-LED显示器的最大挑战，尤其是蓝色QD-LED，”樊逢佳说，“降低驱动电压，减少产热将会对此有所帮助。”

量子点可通过化学反应在溶液中制备。包覆外壳可提高量子点的稳定性，包裹化学配体可减少表面缺陷。然而，这层配体胶体膜的导电性很差。

研究人员正在测试量子点技术，以探寻更加便宜和经久耐用的显示器。来源：河南大学

最亮的QD-LEDS

申怀彬通过在QD的核（CdSe）与壳（ZnSe）中引入硒，降低了因晶格失配而产生的应力，减少了缺陷，提高了每个量子点发射的光子数，从而增强了QD-LED的稳定性⁴。由此构筑的红、绿、蓝三色QD-LED的亮度为目前的最高记录，且量子点的寿命大幅延长。

2023年，申怀彬和樊逢佳在此发现的基础上更进一步，利用硒合金生长拥有极厚外壳的量子点⁵。这一设计使每个量子点中聚集了更多电子和空穴，从而在低驱动电压下实现了高亮度、低发热。

上述这些发现将QD-LED的能量转换效率从18%提升至23%，并使其寿命延长了近5倍。申怀彬表示，这让QD-LED的量产成为触手可及的现实，QD-LED即将走进千家万户。

针对QD-LED和作物的研究或许看起来并不相关，但它们共同展现了河南为科学家提供的大力支持。在人才强校战略的驱动下，河南大学的国内和国际排名正迅速攀升。

参考文献

1.Wang, T. et al. Science 374, (6563), 65–71 (2021)

2.Ke, X. et al. Science 378, (6623), 971–977 (2022)

3.Zhang, B. et al. Nat. Plants 7, (1), 73–86 (2021)

4.Shen, H. et al. Nat. Photon. 13, 192–197 (2019)

5.Gao, Y. et al. Nat. Nanotechnol. 18, 1168–1174 (2023)

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