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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
LiNbO3集成光波导电场传感器
主要应用领域:国防以及电力部门 特点: ? 体积小 ? 抗电磁干扰 (一)ns级电磁脉冲场测量系统 主要技术指标:能够对上升时间、半宽均为ns量级的电磁脉冲(如核电磁脉冲)进行时域波形测量;线性测量范围从100 V/m到超过100 kV/m,带宽范围从100 kHz到1 GHz。 (二)μs级电磁脉冲场测量系统 主要技术指标:能够对上升时间、半宽均为μs量级的电磁脉冲(如雷电电磁脉冲)进行时域波形测量;线性测量范围从100 kV/m到1000 kV/m。 (三)连续波电场测量系统 主要要技术指标:带宽范围从100 kHz到18 GHz,灵敏度达20 mV/m。
电子科技大学 2021-04-10
一种直流接触器节能控制装置及控制方法
本发明公开了一种直流接触器节能控制装置,包括:微处理器模块:用于控制电压和电流采集模块、驱动模块、低压保护模块、外部存储模块以及液晶显示模块的工作;电压和电流采集模块:用于将电源电压和线圈电流转换为微处理器模块的A/D口所允许的电压值;驱动模块:包括两个与线圈串联的开关管和一个与线圈并联的续流二极管;低压保护模块:用于防止线圈电压过低造成不可靠合闸;外部存储模块;液晶显示模块:用于显示直流接触器的状态信息;电源模块:用于给整个控制装置供电。本发明有效地减小了保持阶段的线圈电流,降低了线圈温升,节约了能源。
东南大学 2021-04-11
高温压电振动能量回收器件和高温驱动器
传统PZT压电陶瓷应用广泛,但在居里温度较低,环境温度较高时,PZT陶瓷样品极易退极化。随着压电材料的应用范围的进一步拓展,一些极端条件对压电陶瓷的应用提出了新的挑战。北京大学工学院实验室利用高居里点的钪酸铋-钛酸铅压电陶瓷制备了基于d31模式和d33模式的应用于高温环境中的压电振动能量回收器,器件可以稳定地工作在150℃以上的高温环境中。高温下由于电畴被活化,器件的压电系数和相应的输出功率比室温时提高一倍以上。 与压电能量回收器不同的是,压电驱动器是一种利用压电效应,将电能转化为机械能实现纳米级驱动的器件,压电驱动器利用压电材料的准静态逆压电效应实现10微米至100微米的微小位移;同时,还可以利用压电陶瓷的高温谐振动效应制备高温压电马达。
北京大学 2021-02-01
仿生扑翼飞行器升力测试装置及其测试方法
(专利号:ZL 201410446620.8) 简介:本发明公开一种仿生扑翼飞行器升力测试装置及测试方法,属于扑翼飞行器技术领域。该发明主要包括连接轴、摆杆、斜杆、支架、大齿轮、小齿轮、立柱、底盘、传感器、发送器等;其中:连接轴、摆杆和立柱的轴线位于同一平面内,连接轴固定在摆杆的下端,摆杆的上端与斜杆下端铰接,斜杆上端与大齿轮固定联接,大齿轮由轴承支承在支架的立轴上,并与电机轴端的小齿轮保持啮合,支架、立柱和底盘连接形成固定机架,发送器安装在传感器的尾部。传感器测量摆杆相对于斜杆的角位移,由数学模型计算出对应的升力。本发明具有结构紧凑,占用空间小测量范围大,测量准确度高,测试时模型安装方便,操作简单等优点。
安徽工业大学 2021-04-11
一种光电复合式水下湿插拔连接器
本发明公开了一种光电复合式水下湿插拔连接器,插座部分以及与之配合的插头部分;插头部分包括插头外壳,插头外壳里面设置有插头内腔,所述插头内腔中设置有贯穿其中并伸出所述插头内腔的电插针,电插针中段布置有与插座部分内部上下移动件配合的斜坡,电插针的后端中心贯穿设置插头光纤,电插针前端头部呈凸球状;插座部分包括能伸入所述插头外壳中的插座外壳,所述插座外壳里面设置有插座内腔,插座内腔里面设置有电连接部分和插座光纤部分;插座外壳和所述插头外壳上分别设置有穿通其的第一进水槽和第二进水槽,所述插头内腔和所述插座内腔中都充满绝缘油。本发明能够保证深水环境的可靠连接。
东南大学 2021-04-11
双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器
本发明公开了一种双层标准鼠笼导体转子高转矩密度永磁调速器,包括同一中心轴设置的输入轴和输出轴,所述输入轴上穿设有导体转子,所述输出轴上穿设有可相对同心旋转的第一永磁转子和第二永磁转子;所述第一永磁转子、导体转子和第二永磁转子三者沿径向依次同心套设,其中第一永磁转子和导体转子之间相隔有第一气隙,导体转子和第二永磁转子之间相隔有第二气隙。本发明通过旋转第一永磁转子或者第二永磁转子,改变第一永磁转子和第二永磁转子之间的相对旋转角度,实现永磁调速器的调速功能;在调速过程中仅需克服齿槽转矩,还区别于现有技术中采用调整磁转子与导体转子之间的轴向气隙实现调速功能,有效减小了永磁调速器的轴向长度。
东南大学 2021-04-11
超低功耗、高可靠和强实时微控制器芯片
本项目重点研究面向物联网极低功耗微控制器关键技术,包括宽电压标准单元和片上存储器设计技术、工艺-电压-温度(PVT)偏差检测技术与自适应动态电压和频率调节技术、快速响应的宽负载高效率电源转换技术、低功耗高精度模数转换电路设计技术、极低功耗快速启动晶体振荡器技术;面向工业控制微控制器关键技术,包括高可靠处理器架构、低延时访问存储策略、纳秒级中断响应处理技术、容错型自纠错SRAM 设计技术、高精度时钟基准电路设计技术。
东南大学 2021-04-11
一种RFID读写器芯片中测系统及方法
本技术成果涉及集成电路测试技术领 域,公开了一种RFID读写器芯片中测系 统及方法
中山大学 2021-04-10
一种组合式跌水驱动生物转盘反应器
本发明公开了一种组合式跌水驱动生物转盘反应器,包括池体(1),所述池体(1)包括转盘区(2)和驱动区(3);在所述转盘区(2)内通过转轴(6)设有转盘(201);在所述驱动区(3)内设有驱动所述转盘(201)转动的驱动盘(301);所述驱动区(3)的液位设置在驱动盘(301)下方;在所述驱动区(3)底部设有降解所述污水的辅助填料氧化区(302),在所述辅助填料氧化区(302)前端设有控制所述驱动区(3)液位的出水槽(303)。本发明采用驱动盘和转盘的功能分区,由于驱动区的液位在驱动盘的底部,消除了水对驱动装置的阻力,提高转盘转速,显著的提高了充氧率,并通过辅助氧化填料区强化污水中有机物的去除,有利于增强反应器硝化性能。
东南大学 2021-04-11
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