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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
有层次结构的纳米立方体和纳米铁花状结构的制备方法
一种有层次结构的纳米铁立方体和纳米铁花状结构的制备方法,具体作法是:取不锈钢片和钛片、不锈钢片和钛片的面积比为2.5∶1,依次用400,600,800目砂纸抛光,清洗3-5次;超声30分钟,取出备用;配置含450g/L的FeCl2,抗环血酸1.4g/L,氟化铵0.8g/L,复合氨基酸0.7g/L,柠檬酸0.086g/L,0.05mol/L盐酸的电镀液;以处理后的钛片做阴极,不锈钢片做阳极,进行0.1A的恒电流电镀,电镀时间为3-60s;电镀完后取出钛片,即获得纳米铁立方体或纳米铁花状结构。该方法制得的纳米铁为立方体及花状结构,比表面积大,活性好,且设备简单,能耗低,适合大规模生产。
西南交通大学 2016-10-20
医疗器械高效抗凝、抗菌、润滑涂层技术
成果内容:用仿细胞膜结构聚合物涂覆改性生物材料及器件可得到优异的血液相容性及组织相容性。研发的仿生涂层构建技术可简便地用于多种医疗管路、导管及器械表面改性,显著降低蛋白质吸附达90%、细菌粘附99%、凝血及补体激活均减少80%以上。相关研究连续获得6项国家自然科学基金项目资助;获授权发明专利20项;关键技术通过陕西省技术成果鉴定,发明的仿细胞膜结构聚合物涂层的构建及调控技术国际领先。 成果用途: (1)仿细胞膜人工肺(高端产品)。血液蛋白质吸附减少90%,血小板粘附减少96%,凝血及补体激活均减少80%以上。抗血栓形成时间延长10倍。 (2)对血液透析器涂覆改性后可获得具有仿细胞膜涂层的血液透析器。可以显著降低对血液蛋白质吸附、血小板粘、凝血及补体激活等不良反应,从而大大降低病人在血液透析过程中出现瘙痒、头晕、恶心、呕吐、不宁腿综合征等过敏性不适症。 (3)将仿细胞膜结构聚合物涂层构建在导尿管、人造血管等管路内、外表面,可获得高效抗菌、抗凝、润滑等性能优异的医用导管。 成果成熟度:中试产品阶段(已解决关键技术,需要合作进行产业化攻关) 转化方式:技术转让、合作开发 成果授权情况 专利号 专利名称 专利状态 ZL201110203771.7 利用RAFT聚合技术在材料表面构建仿细胞外层膜结构涂层的方法 授权 ZL201110205373.9 仿贻贝粘附蛋白和细胞膜结构共聚物及其制备方法和应用 授权 ZL200910219143.0 一种仿细胞外层膜结构修饰涂层制备的方法 授权 ZL201310469385.1 一种通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法 授权 ZL201510013872.6 含磷酰胆碱和聚乙二醇的功能聚合物及其抗污涂层的构建方法 授权 ZL201610120275.8 功能型仿细胞外层膜立体结构涂层的构建方法 授权 ZL201510014112.7 贻贝粘附和细胞膜抗污双仿生多臂PEG及其制备方法 授权 ZL201910027531.2 一种仿生聚合物及制作耐久性双仿生聚合物涂层的方法及应用 授权 202011156925.7 一种两性离子聚合物与肝素复合涂层和制备方法及其应用 受理 202010000137.2 一种交联稳定聚合物刷涂层的构建方法 受理  
西北大学 2021-05-11
抗强干扰超低谐波高效稳压电源
含变频器或开关磁阻电机的自动控制设备内微电子电路的供电。周边有强干扰源的微电脑控制设备和电子检测微电子电路的供电。现状:由于变频器、开关磁阻电机和大功率电控设备应用日益增多,很多控制和电子检测运行不稳定,甚至发生事故。创新效果:输出电压谐波可在0.01%以内。可消除来自电源渠道的干扰,大幅度提高控制和电子检测的稳定性。可大幅度减少控制和电子检测研发工作量,缩短研发周期。希望合作企业应有基础:已有通用开关电源之产销基础。企业决策人有愿望和实力开拓自主知识产权。
清华大学 2021-04-13
MC型多元低合金抗磨铸铁磨球
研发阶段/n内容简介:MC型多元低合金抗磨铸铁磨球是一种性能优异的抗磨材料。该技术是将几种具有不同功能的合金对铸铁进行微量合金化,并采用特殊的变质处理技术和先进的激冷铸造工艺,使生产出的铸件具有生产成本低、生产工艺简单、可靠,其材质具有韧性和高硬度,不易破碎且耐磨等特点,可采用冲天炉、电炉熔炼,材质不需热处理,该材质广泛用于磨球、衬板等易磨件。该产品仅用于建材、电力、选矿、化工等行业的磨球一项,国内每年消耗达100多万吨。技术指标:材质硬度:HRC48-55;冲击值:ak>5J/m2;破碎率:
湖北工业大学 2021-01-12
一种弹性抗拉橡胶隔震支座
本实用新型具体涉及一种弹性抗拉橡胶隔震支座,包括隔震体、上连接板、下连接板、上封板、下封板,所述上连接板上设置有封板第一固定孔,所述上封板上设置有上封板粘结槽、上封板螺栓孔,所述下连接板上设置有封板第二固定孔,所述下封板设置有下封板粘结槽、下封板螺栓孔,所述封板第一固定孔、封板第二固定孔通过螺栓分别与上封板螺栓孔、下封板螺栓孔连接为一体;所述隔震体包括阶梯式芯体、第一橡胶层、第二橡胶层、钢板层、保护胶,所述隔震体固定设置在上封板与下封板之间。本实用新型装置,结构简单,生产安装方便,大大提升隔震支座的
安徽建筑大学 2021-01-12
医疗器械高效抗凝、抗菌、润滑涂层技术
项目成果/简介:成果内容:用仿细胞膜结构聚合物涂覆改性生物材料及器件可得到优异的血液相容性及组织相容性。研发的仿生涂层构建技术可简便地用于多种医疗管路、导管及器械表面改性,显著降低蛋白质吸附达90%、细菌粘附99%、凝血及补体激活均减少80%以上。相关研究连续获得6项国家自然科学基金项目资助;获授权发明专利20项;关键技术通过陕西省技术成果鉴定,发明的仿细胞膜结构聚合物
西北大学 2021-01-12
抗棉铃虫棉花华杂棉1号
可以量产/n华杂棉1号(原名华杂302)是通过人工去雄杂交法从大量的杂交组合中筛选出来的优势杂交种F1,2005年通过湖北省作物品种审定。1998--1999年参加湖北省棉花区域试验,在不防治棉铃虫和红铃虫条件下,两年平均籽、皮棉产量分别为227.02kg/666.7m2和88.93kg/666.7m2,比防治棉铃虫和红铃虫的鄂棉18(对照品种)分别增产19.21%和12.04%,籽、皮棉产量与对照相比,增产幅度均达到极显著水平,居参试品种(组合)首位。农业部纤维品质检测中心测定的纤维品质结果,2.
华中农业大学 2021-01-12
一种小麦抗盐剂均匀播撒装置
本实用新型提供了一种小麦抗盐剂均匀播撒装置,包括调配装置,所述调配装置包括外壳,所述外壳顶部设有药剂瓶,所述药剂瓶的底部设有延伸到外壳内的管道,管道上设有第一电磁阀,所述外壳的侧面靠近顶部处设有进水管和输送管,所述进水管上设有第二电磁阀,所述外壳外侧中部设有第二电机,所述第二电机连接有转轴,采用调配装置一次调配喷洒使用,可以保证药液浓度的均匀一致,设有搅拌装置,使药液均匀且防止药剂沉淀,设有播撒管,播撒管分布在麦田两边,播撒管上设有多个雾化喷头,可以对整个麦田进行均匀的播撒。本实用新型使用方便、播撒均匀,具有良好的推广价值。
青岛农业大学 2021-04-13
新型抗血吸虫病兽药 DQ1
血吸虫病至今仍是严重危害人类身体健康的一种重要人兽共患寄生虫病。由218 于缺乏有效的预防血吸虫感染的疫苗,治疗手段局限于德国的怡黙克与拜耳药厂 在 20 世纪 70 年代合作研发的广谱抗蠕虫药吡喹酮。由于大规模使用,已经出现 吡喹酮耐药株流行的情况,给全世界的血吸虫病防治带来严重的困难与挑战。 癸氧喹酯由英国 May—Baker 公司在 20 世纪 60 年代研制成功,主要作用是 阻碍球虫子孢子的发育,预防鸡的变位、柔嫩、巨型、堆型、毒害和布氏艾耳美 球虫等引起的球虫病。该药物存在毒性低、治疗效果好等显著特点,是全球唯一 被日本、欧盟、美国、中国等国家和地区批准使用的化学合成抗球虫药。 本项目团队研究发现一个癸氧喹酯衍生物 DQ1 具有较好的体外抗日本血吸 虫活性,在 10 μM 下,72 小时后,100%的血吸虫死亡,显示出较好的血吸虫病 治疗前景,可以作为新型的抗血吸虫病兽药,获得国家专利授权一项 (ZL201510889423.8),发表研究论文一篇(Chinese Chemical Letters.2017,28, 1547–1552)。
江南大学 2021-04-13
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