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二维冰的存在的证实及其生长机制的研究
北京大学物理学院量子材料中心江颖、徐莉梅与美国内布拉斯加大学林肯分校曽晓成以及北京大学/中国科学院王恩哥等合作,利用高分辨qPlus型原子力显微镜技术,首次在实验上证实了冰在二维极限下可以稳定存在,将其命名为:二维冰I相,并以原子级分辨率拍到了二维冰的形成过程,揭示了其独特的生长机制。该工作以“Atomic imaging of edge structure and growth of a two-dimensional hexagonal ice”为题,于1月2日发表在国际顶级学术期刊《自然》上。图1 (a)南极罗斯海上的厚冰层;(b)自然界最常见冰相(Ice Ih)的分子模型;(c)本工作发现的二维冰(实验结果的3D效果图) 冰是水的常见物态,由水分子规则排列形成,其结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学等众多领域具有至关重要的作用。早在20世纪20年代,英国著名物理学家、X射线发现者Bragg与其它几位科学家就分别利用X射线对冰晶体结构进行了表征,经过了近一百年的研究和探索,迄今人们已经发现了冰的18种晶相(三维冰相),其中自然界最常见的冰相为六角结构的Ice Ih相(图1a 和b)。然而,冰在二维极限下是否能独立稳定存在?这个问题有很大的争议。一般认为在单层极限下,二维冰具有相当数量的未饱和氢键,需要靠与衬底的相互作用来使得结构稳定。但如此一来,二维冰的结构就非常依赖于衬底的结构和对称性,并不是真正意义上的本征二维冰。2015年,石墨烯发现者Andre Geim带领的团队在双层石墨烯间发现了一种与表面结构无关的四方二维冰相(Nature 519, 443 (2015)),引起了学术界的强烈反响,但这种二维冰随后被质疑是NaCl的晶体结构(Nature 528, E1–E2 (2015)),二维冰存在与否一直悬而未决。图2 二维冰岛内部结构的亚分子级分辨成像。a、b图中从左至右,依次为由高至低不同针尖高度下的原子力显微镜实验图和模拟图;c为二维冰结构的模型示意图的俯视图和侧视图。图像尺寸:1.25 nm x 1.25 nm。在大针尖高度条件下,主要利用高阶静电力成像,可以分辨出平躺水分子(暗点)和竖直水分子(亮点);在中间高度条件下,依靠高阶静电力与泡利排斥力的共同作用,可以分辨出图中红色短线所示的氢键指向信息。 在本工作中,研究人员通过精确控制温度和水压,成功在疏水的金衬底(Au(111))上生长出了一种单晶二维冰结构,这种二维冰可以完全铺满衬底(图1c)。研究人员进一步利用基于一氧化碳针尖修饰的非侵扰式原子力显微镜成像技术(non-invasive AFM),借助高阶静电力,实现了二维冰的亚分子级分辨成像,并结合理论计算确定了其原子结构(图2)。结果表明,这种二维冰由两层六角冰无旋转堆垛而成,两层之间靠氢键连接,每个水分子与面内水分子形成三个氢键,与面外水分子形成一个氢键,因此所有的氢键都被饱和,结构非常稳定,与衬底相互作用很弱,是一种本征的二维冰结构。1997年,Koga和曽晓成等人利用分子动力学模拟首次预测了这种“互锁型”双层二维冰(PRL 79, 5262 (1997),昵称:Nebraska Ice,美国Nebraska州的印第安语意:广阔浅平的河水),但一直缺乏确切的结构实验证据。因此,这也是第一种被实验所证实的二维冰结构,研究人员将它正式命名为:二维冰I相。图3 二维冰岛的锯齿状(a)边界和扶椅状(b)边界对应的“搭桥”(bridging)式和“播种”(seeding)式生长模式。生长由1至4依次循环进行,原子力显微镜中的红色箭头表示水分子加入,球棍模型图中的红色结构表示水分子加入形成的新结构。图像尺寸分别为:(a)3.2 nm x 1.9 nm和 (b)3.7 nm x 2.2 nm。 为了进一步揭示二维冰的形成机制,研究人员利用前面发展的非侵扰原子力成像技术对二维冰岛的边界进行高分辨成像,成功确定了二维冰的边界是由未重构的锯齿状(zigzag,图3a所示)边界和重构的扶椅状(armchair,图3b所示)边界构成。同时,研究人员还通过“速冻”技术,在边界上捕获了冰生长过程中的中间态结构,并基于这些中间态边界结构重现了二维冰的形成过程,结合理论计算和模拟提出了二维冰岛锯齿状边界的“搭桥”(bridging)式生长和扶椅状边界的“播种”(seeding)式生长机制。此外,根据理论计算和模拟的结果,研究者认为该生长机制具有一定的普适性,适用于其他疏水的衬底。 二维冰的发现改变了一百多年来人们对冰相的传统认识,开启了探究二维冰家族系列的大门,为冰在低维和受限条件下的形态和生长提供给了全新的图像。同时,二维冰在很多应用领域也有潜在意义。比如:表面上的二维冰可以促进或抑制三维冰的形成,这对于设计和研发防结冰材料具有潜在的应用价值;二维冰中水分子所有的氢键都被饱和,因此与表面的相互作用极小,可以起到超润滑作用,减小材料之间的摩擦;此外,二维冰本身也可以作为一种特殊的二维材料,为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的平台。
北京大学 2021-04-11
酵母降酸与超高压加工技术相结合制备黑莓酒
项目简介 采用一种酵母降酸与超高压加工技术相结合制备黑莓酒的方法。精选优良黑莓品种 进行低温发酵,热浸提果渣中的单宁色素,选用低温酸性果胶酶与高效降酸酵母进行同 步酶解发酵与同时发酵降酸,接入0.01~0.02%浆果专用低温酸性果胶酶和0.025~0.03% 的降酸酵母,其中所述的降酸酵母为啤酒酵母或者果酒酵母发酵温度控制在 20~25℃, 当残糖降到 4g/L 以下时,过滤、除渣,得原酒;根据最终产品要求对原酒进行成分调整;209 调配后的黑莓酒在常
江苏大学 2021-04-14
西北农林科技大学葡萄种质资源与育种团队在葡萄霜霉菌RxLR效应蛋白致病机制研究方面取得新进展
该研究揭示了葡萄霜霉病菌RxLR型效应蛋白RxLR50253通过与结合并稳定宿主体内感病因子VpBPA1从而降低植物防御反应以促进感病。
西北农林科技大学 2022-10-13
四乙酰乙二胺、五乙酰葡萄糖
在染整和造纸废水中,含氯(chlorine)漂白废水对环境的危害最强,其产生的二恶英和呋喃有很强的毒性和致癌性,这已引起人们的极度重视。故染整和造纸工业的漂白加工朝着全无氯(TCF—Totally Chlorine Free)和无氯元素(ECF—Elemental Chlorine Free)的漂白方向发展。而双氧水H2O2是ECF和TCF漂白中最常
南京工业大学 2021-04-14
雷公藤内酯醇—氨基葡萄糖结合物
肾病,尤其是免疫相关的肾病是威胁人类健康的常见病之一。2012年柳叶刀报道,中国肾病患者达到10.8%,最常见的有急性肾炎、慢性肾炎、原发性肾病综合症等,在后期可发展成为末期肾病(ESRD),2012年我国ESRD病人达120万人。病人只能依靠血液透析或肾移植来延长生命。目前国内临床上治疗常用激素冲击治疗,雷公藤多甙片维持治疗的治疗方案。大剂量使用激素和长期服用雷公藤多甙片所带来的毒副作用严重限制了肾病的治疗。因此,肾病临床治疗中,研究发展肾脏的靶向给药系统,以提高药物疗效和降低毒副作用,具有十分重要的意义。该产品的生产工艺简单、成熟,所需设备简单,易于产业化。 合成了雷公藤内酯醇-氨基葡萄糖结合物,并确证了雷公藤内酯醇-氨基葡萄糖结合物(TP—AGL)。TP/AGL摩尔比约为1:1。以3%甘露醇为冻干保护剂,将TP—AGL结合物制成了溶液型冻干粉针剂,并进行了制剂综合性能评价。动物研究表明:TP—AGL结合物在30%大鼠血浆中(37℃,2 h)水解量小于10%。在大鼠肾溶酶体溶液中12 h释放80%以上原药,表明结合物在血中稳定而在细胞能释放出活性母药。与原药相比,结合物具有较短的血浆半衰期,具有很好的肾靶向性和滞留时间;在其它各脏器中的分布很少。药效研究表明,结合物能明显改善实验所致大鼠肾炎和缺血再灌注引起的损伤,其对肝脏、免疫和生殖系统的毒性降低,局部免疫抑制效果显著提高。
四川大学 2016-04-18
四乙酰乙二胺、五乙酰葡萄糖
在染整和造纸废水中,含氯(chlorine)漂白废水对环境的危害最强,其产生的二恶英和呋喃有很强的毒性和致癌性,这已引起人们的极度重视。故染整和造纸工业的漂白加工朝着全无氯(TCF—Totally Chlorine Free)和无氯元素(ECF—Elemental Chlorine Free)的漂白方向发展。而双氧水H2O2是ECF和TCF漂白中最常用的漂白剂。但由于在H2O2漂白过程中,H2O2易发生分解,产生自由基,致使漂白效果不理想、纤维强度下降严重。氧化型助漂剂能使过氧化氢活化并极大地提高漂白效率,且可有效保护纤维。 氧化型助漂剂系列上是一些有机酰化剂,如四乙酰乙二胺(TAED)、五乙酰葡萄糖(PAG)等,它们通过和过氧化氢的水解反应,使过羟基离子酰基化,产生过氧乙酸和过酰基阴离子而起作用。而过氧乙酸是比过氧化氢更活泼的漂白剂,在各温度范围内能有效地漂白棉纤维和纸浆;且对纤维的损伤较小。因而成为双氧水H2O2漂白的主要添加剂。
南京工业大学 2021-01-12
菊芋生物质生产葡萄糖酸和山梨醇技术
葡萄糖酸和山梨醇都是用途非常广泛的化工原料。目前山梨醇的生产主要是通过化学催化 加氢裂解葡萄糖得到的,这是一种高能耗、高分离成本且高污染的生产工艺。生物法生产山梨 醇主要利用运动发酵单孢菌周质空间内的葡萄糖果糖氧化酶催化氧化还原果糖和葡萄糖得到, 反应过程简单,条件温和且环境友好。但生物法的底物葡萄糖和果糖相对于产物来讲是价格不 菲的。因此,分别利用价格低廉的菊芋生物质原料替代果糖和木薯淀粉质生物质代替葡萄糖来 生产山梨醇和葡萄糖酸可以大大提高该生产过程的经济性。 本项目的菊芋生物质生产葡萄糖酸和山梨醇技术采用华东理工大学研发的利用固定化运 动发酵单胞菌同时催化菊芋果糖和木薯葡萄糖生产高浓度山梨醇和葡萄糖酸的技术。该技术主 要包括高浓度菊芋果糖和木薯葡萄糖混合水解液的生产、重组运动发酵单胞菌的细胞固定化和 利用运动发酵单孢菌催化果糖和葡萄糖生产高浓度山梨醇和葡萄糖酸等主要工序。其中,高浓 度菊芋果糖和木薯葡萄糖混合水解液的制备采用同一种糖化酶同时催化菊芋聚果糖的酶解和木 薯淀粉的酶解,避免了昂贵的多酶组分的添加,有效降低了催化底物-葡萄糖和果糖的生产成 本;运动发酵单胞菌的细胞固定化则实现了催化细胞的循环使用,降低了催化成本;利用运动 发酵单孢菌催化果糖和葡萄糖生产高浓度山梨醇和葡萄糖酸则可得到浓度达20%以上的山梨醇 溶液,大大降低了后续的分离成本,果糖和葡萄糖转化率都在90%以上。
华东理工大学 2021-04-11
生物转化生产2-酮基-D-葡萄糖酸
2-酮基-D-葡萄糖酸 (2-keto-D-gluconic acid,2KGA) 是工业上大规模生产的一种有机酸,主 要用于食品抗氧化剂D-异抗坏血酸及D-异抗坏血酸钠的合成。本项目采用氧化葡萄糖酸杆菌 静息细胞转化法生产2-KGA。转化反应体系中,底物葡萄糖浓度达到300g/l左右,2-KGA的产 率在95%以上,时空产率达到13.48g/l/h。国内外报道的最高发酵生产水平是11.4g/l/h。 现有的2-KGA生产,主要通过荧光假单胞菌发酵葡萄糖或淀粉水解糖。工艺面临的主要问 题是抗噬菌体菌株的筛选、连续发酵的周期长、菌体与CaSO4 的分离等。 本项目采用静息细 胞转化法生产2-KGA。本项目和发酵法比较,具有转化反应简单、易控制、时间短、后处理容 易等优势。
华东理工大学 2021-04-11
一种葡萄埋藤用的彩条布清土回收机
本发明涉及农业机械技术领域,特别涉及一种葡萄埋藤用的彩条布清土回收机,包括主机体、液压系统、副机体、清土总成和卷布总成。主机体包括主机架和地轮,地轮起支撑和行走作用;液压系统包括液压油箱、动力输入轴、主动带轮、从动带轮和液压泵,为清土总成和卷布总成提供动力;副机体包括副机架、刮土铲和刮土铲支架,刮土铲将彩条布上的土刮至一侧;清土总成包括清土液压马达和清土搅龙,清土搅龙进一步清除彩条布上的土;卷布总成包括卷布液压马达、卷布侧板和卷布辊,卷布液压马达驱动卷布侧板和卷布辊转动,卷布辊卷起彩条布实现回收作业。所述卷布辊根据作业对象更换,提高了葡萄埋藤用的彩条布清土回收机的通用性和利用率。
中国农业大学 2021-04-11
葡萄籽提取物生产保健食品原料及保健食品
成果描述:葡萄籽作为酿酒工业的下脚料,其中含有大量的原花青素。原花青素是植物王国中广泛存在的一大类多酚物质的总称,由不同数量的的儿茶素或表儿茶素缩合而成。研究发现,葡萄籽提取物中含有大量的原花青素,具有强大的抗氧化、清除自由基能力和对人体微循环具有特殊改善的双重功效,以高效、低毒、高生物利用而著称。本产品以葡萄籽提取物为主要原料,辅以其他的具有抗氧化功效的原料,以突出该产品抗氧化的保健功效。市场前景分析:保健食品市场。与同类成果相比的优势分析:所用原料符合中国卫生部关于保健食品的原料要求,产品的卫生指标、理化指标、功效成分指标和安全性指标等均符合卫生部关于保健食品的相关要求。
四川大学 2021-04-10
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