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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
一种原位转化型磷回收材料的制备及其使用方法
本发明公开了一种原位化学转化型磷回收材料的制备及其使用方法,通过25~35°C搅拌条件下,将配制好的碳酸盐溶液以固定速度加入气体保护的镁盐溶液中,搅拌10~30min,30°C陈化1~4h,分离出固相,干燥即得到花状碳酸镁磷回收用材料,该方法简单易行,耗能低、耗时短,成本低廉,绿色环保。所得磷回收用材料基于原位化学转化解析出镁离子与溶液中的磷酸根结合生成难溶的磷酸镁,能在室温下进行除磷,具有吸附速度快、适应大部分自然水源的pH和使用安全等优点,是一种性价比比较高的除磷吸附剂,为磷污染控制提供新的手段
安徽建筑大学 2021-01-12
一种多轴加工系统的相对动刚度获取方法及其应用
本发明公开了一种多轴加工系统相对动刚度的获取方法,包括如下步骤:(1)根据多轴加工系统的工作范围建立其刀尖点可达姿态的工作空间,并将该工作空间离散化,即对每个轴的行程,均用一系列离散点表示;(2)对于任一离散点,建立其对应的多轴加工系统的动力学模型;(3)计算该离散点对应的相对动刚度矩阵 KD。本发明还公开了上述获取方法在加工系统性能评价中的应用。本发明综合考虑了机床本身结构、刀具和工件的动刚度特性及其相互耦合关系,能够准确表征多轴加工系统在工作空间中的相对动刚度分布规律。
华中科技大学 2021-01-12
一种降低铬在烟草中积累的制剂及其使用方法
本发明属于环境保护中土壤重金属污染的治理和农产品安全领域,涉及一种降低铬在烟草中积累的制剂及其使用方法。一种降低铬在烟草中积累的制剂,该制剂包含浓度为0.08-0.12?μM的油菜素内酯。进一步的,所述的油菜素内酯为2,4表油菜素内酯。本发明制剂具有配制简单、使用方便、无毒副作用和成本低等优点。使用时以叶面喷施的方式进行,与喷洒农药类似,简单易操作。本发明适用于烟草生产低铬产品,适合在中轻度铬污染地区推广应用。
浙江大学 2021-04-13
一种光学模铁磁共振增强的多层膜及其制备方法
高频软磁薄膜的铁磁共振频率是集成化微磁电感的上限工作频率。受限于较低的声学模共振频率,当前微磁电感的频率较低。基于光学模共振的软磁薄膜具有非常高的共振频率,将成为提高微磁电感频率的新突破口。本发明主要介绍了实现光学模共振的多层膜结构及其制备方法,有望用于制备集成化微磁电感或其他磁性薄膜集成器件。本发明所述的光学模共振是从未使用过的新原理,基于光学模共振的高频软磁薄膜材料及其集成电路工艺兼容性制备方法,将有利于将其推广到集成电路磁性元器件的各个应用环节,例如,微磁电感、隔离器、耦合器、滤波器等等,具有广阔的应用前景。
青岛大学 2021-04-13
一种电容式超薄柔性应力传感器及其制备方法
本发明公开了一种电容式超薄柔性应力传感器及其制备方法。该应力传感器包括下层弹性保护薄膜,底面电纺纳米纤维导电膜电极,中间弹性绝缘隔离薄膜,上层电纺纳米纤维导电膜电极,上层弹性保护薄膜,以及分别连接上层电纺纳米纤维导电膜电极和底面电纺纳米纤维导电膜电极的两个金属电极;所述上层电纺纳米纤维导电膜电极和底面电纺纳米纤维导电膜电极分别为利用静电纺丝法制备的定向沉积在中间弹性绝缘隔离薄膜上表面和下层弹性保护薄膜上表面的导电纳米纤维膜。该应力传感器可大范围拉伸,可用于测量大拉伸范围,该应力传感器的电容由其拉伸后的感应面积决定,且该应力传感器的制备工艺简单,具有很好的应用前景。该方法可实现超薄柔性力敏传感器的大规模制备,在传感器以及智能服装等领域有应用前景。 
青岛大学 2021-04-13
一种超分子油井选择性堵水剂及其制备方法
本发明涉及一种超分子油井选择性堵水剂及其制备方法。该堵水剂在油井亲水地层中利用自身侧链基团的自组装生成超分子结构,从而达到油井选择性堵水的目的。该堵水剂克服了目前堵水剂选择性差的问题,可大大降低油井所产原油含水量,提高原油开采效率,降低原油开采成本。
青岛大学 2021-04-13
含芴基及醚键结构的双马来酰亚胺及其制备方法
本发明提供一种含芴基及芳醚键结构的双马来酰亚胺及其制备方法,含芴基及芳醚键结构的双马来酰亚胺具有如下结构式:式中的取代基R1,R2各自独立地选自氢原子,卤素原子,硝基,C1~C20的脂肪族烷基或其衍生物,或者C6~C12的芳香烃烷基或其衍生物。
大连理工大学 2021-04-13
一种治疗缺血性中风的中药组合物及其制备工艺
本发明涉及一种治疗缺血性中风的中药及其制备工艺,该药物是由包括重量配比为僵蚕2~20份,黄芪5~20份,地龙0.5~10份,川芎1~4份的药材制成的,还能根据并发症的不同加入其它中药;采用川芎,僵蚕采用乙醇提取,黄芪,地龙用水提取的制备工艺.本发明的药物具有益气活血,祛痰通络的功能,大量临床证实,本发明药物治疗缺血性脑中风具有确切疗效,达到标本兼治之功效,其有效率达90%以上.
湖南中医药大学 2021-04-13
一种环氧树脂改性的聚氨酯灌浆加固材料及其制备方法
本发明公开了一种环氧树脂改性的聚氨酯灌浆加固材料及其制备方法,其中环氧树脂改性的聚氨酯灌浆加固材料的原料按质量份数构成为:复合聚醚多元醇100份,环氧树脂组份120-200份,胺类催化剂5-10份,有机锡类催化剂0.5-1.5份,表面活性剂1-3份,阻燃剂10-30份,多异氰酸酯55-90份.本发明聚氨酯灌浆加固材料粘度较低,具有良好的流动性和可灌性,固化时间可在1-30min内调控,固化过程中放热量低,固结体形成过程中,芯部最高反应温度在100℃以下,固化完成后的固结体具有较高的压缩强度(15-40MPa),同时具有较强的粘接性和韧性,可适应各类易形变地基的加固.。
合肥工业大学 2021-04-13
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