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揭示水合离子的微观结构和幻数效应的研究
众所周知,盐放入水中会发生溶解,溶解的离子与水分子结合在一起形成的团簇称为水合离子或离子水合物。水合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。早在19世纪末,人们就意识到离子水合作用的存在并开始了系统的研究,最早的实验研究可以追溯到1900年德国著名物理化学家Walther Nernst的迁移实验(Transference experiments)。虽然经过了一百多年的努力,离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等诸多问题,至今仍没有定论。究其原因,关键在于缺乏原子尺度的实验表征手段,以及精准可靠的计算模拟方法。传统的谱学和衍射技术空间分辨能力较差,只能得到平均效应,无法探测局域环境的影响,实验数据的解释异常困难,甚至得出完全矛盾的结论,因此受到很大的限制。另一方面,由于水分子具有全量子化效应,且水分子与离子相互作用也非常微弱,这对理论计算也是巨大的挑战。图2 钠离子水合物的原子级分辨成像。从左至右,依次为五种离子水合物的原子结构图、扫描隧道显微镜图、原子力显微镜图和原子力成像模拟图。图像尺寸:1.5 nm ×1.5 nm。 为了突破实验上的瓶颈,研究人员基于扫描隧道显微镜发展了一套独特的离子操控技术,在氯化钠表面上可控的制备出了单个水合钠离子,水分子的数目精确可调,为高分辨成像创造了条件。在此基础上,他们利用之前发展起来的非侵扰式原子力显微镜成像技术,依靠及其微弱的高阶静电力,克服了针尖对弱键合水合离子的扰动并首次实现了原子级分辨表征,精确确定了其微观吸附构型(图2)。这也是水合离子的概念提出一百多年来,首次在实验中直接“看到”水合离子的原子级图像。 进一步,研究人员利用带电的针尖作为电极,控制单个水合离子在氯化钠表面上的定向输运,发现了一种有趣的幻数效应:包含有特定数目水分子的钠离子水合物具有异常高的扩散能力,迁移率比其他水合物要高1-2个量级,甚至远高于体相离子的迁移率(图3)。结合第一性原理计算和经典分子动力学模拟,他们发现这种幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度,而且可以在很大一个温度范围内存在(包括室温)。此外,研究人员还发现这种幻数效应具有一定的普适性,适用于相当一部分盐离子体系。图3 钠离子水合物在NaCl表面输运的幻数效应。a,效果图:包含3个水分子的水合物具有异常强的扩散能力。 b,分子动力学模拟得到的不同离子水合物在225K-300K下1ns时间内扩散的均方位移。 水溶液中的离子输运研究长期以来都是基于连续介质模型,而忽略了离子与水相互作用以及离子水合物和界面相互作用的微观细节。该工作首次建立了离子水合物的微观结构和输运性质之间的直接关联,刷新了人们对于受限体系中离子输运的传统认识。该项研究的结果表明,可以通过改变表面晶格的对称性和周期性来控制受限环境或纳米流体中离子的输运,从而达到选择性增强或减弱某种离子输运能力的目的,这对很多相关的应用领域都具有重要的潜在意义,比如:离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等等。此外,该工作发展的实验技术也首次将水合相互作用的研究精度推向了原子层次,未来有望应用到更多更广泛的水合物体系,开辟全新的研究领域。 该工作得到了Nature三个不同领域审稿人的一致好评和欣赏(Overall, I enjoyed reading this manuscript),认为该工作“会马上引起理论和应用表面科学领域的广泛兴趣”(The results presented in this manuscript are of immediate interest to the communities dealing with theoretical and applied surface science),“为在纳米尺度控制表面上的水合离子输运提供了新的途径并可以拓展到其他水合体系”(This result may open a venue for controlling diffusion transport on nano-engineered crystal surfaces and it may be also extended to other hydration systems)。
北京大学 2021-04-11
基于磁记忆效应的微缺陷检测技术及系统
Ø  成果简介:磁记忆检测技术是一种新型无损检测技术,被誉为二十一世纪最有前景的绿色诊断技术。该技术可以对铁磁性构件和机械零部件受损程度进行快速诊断,在检测时不要求清理金属表面和进行人工磁化等预先处理,可以完成疲劳损伤的早期诊断,寿命评估和设备可靠性诊断。可以高精度确定滋生裂纹的位置、方向以及定位已生成的裂纹。可以有效发现超声、涡流、漏磁等其它无损检测方法难以察觉的微观缺陷。该系统由探头、调理电路、计算机、信号处理软件等部分组成,可以根据需要,做成各种结构的检测装置,如多探头、单
北京理工大学 2021-01-12
基于磁记忆效应的微缺陷检测技术及系统
磁记忆检测技术是一种新型无损检测技术,被誉为二十一世纪最有前景的绿色诊断技术。该技术可以对铁磁性构件和机械零部件受损程度进行快速诊断,在检测时不要求清理金属表面和进行人工磁化等预先处理,可以完成疲劳损伤的早期诊断,寿命评估和设备可靠性诊断。可以高精度确定滋生裂纹的位置、方向以及定位已生成的裂纹。可以有效发现超声、涡流、漏磁等其它无损检测方法难以察觉的微观缺陷。该系统由探头、调理电路、计算机、信号处理软件等部分组成,可以根据需要,做成各种结构的检测装置,如多探头、单探头检测方式等,可以做成以计算机为核心的检测系统,也可以做成以单片机为核心的便携式检测系统。 磁记忆检测技术的用途极为广泛,具有很大的应用潜力和应用价值,可以用于诊断石油和天然气管道,评价各种工艺管道焊缝,诊断鼓风机和泵,进行抽油杆状态快速评价和筛选,诊断气轮机的叶片和叶轮裂纹情况等。 主要技术指标:磁场强度测量范围:+1500~-1500A/m;测量误差不超过5%,检测速度:0.2米/秒。
北京理工大学 2021-04-13
二维磁性材料磁光拉曼效应
研究了二维铁磁材料VI 3
南方科技大学 2021-04-14
基于路径追踪的遥感影像 Bowtie 效应纠正方法
一种基于路径追踪的遥感影像 Bowtie 效应纠正方法,包括进行插值,使经纬度数据与原始影像具 有相同的分辨率;根据卫星的升降轨方向和扫描方向确定第一个纠正像元的搜索起点,设定对纠正影像 进行重采样的顺序,依次采用路径追踪的方式定位纠正影像的每个像元在原始影像中的位置,即搜索其 在插值后的经纬度格网中的位置,获得与纠正影像像元最邻近的若干个采样点用于灰度重采样来去除影 像的重叠现象。本方法计算效率好,充分利用原始影像信息,是一种严格的高精度中低
武汉大学 2021-04-14
一种火炮发射后坐力效应模拟装置
本发明公开了一种火炮发射后坐力效应模拟装置,属于火炮发射后坐力效应模拟领域。其包括安装支架、等效冲击质量体、高压气缸、双出杆伸缩液压缸、扳机单元、旋转单元,安装支架包括两条相互平行的框和同时与该两条相互平行框垂直的横框,在该两条相互平行的框上分别设置有运动导轨,等效冲击质量体横跨设置在运动导轨上,高压气缸缸体设置在安装支架上,高压气缸中设置有高压气缸活塞杆,双出杆伸缩液压缸具有对称设置的两个,两个双出杆伸缩液压缸均设置在安装支架的横框上,扳机单元整体设置在安装支架的横框和高压气缸的活塞杆尾部之间,旋转单元设置在双出杆伸缩液压缸上。本发明装置可重复进行试验,结构紧凑简单、能耗低。
华中科技大学 2021-04-14
液晶电光效应综合实验仪 COC-LCDEO-3
实验内容 1、测量液晶光开关的电光特性曲线,求阈值电压、饱和电压、响应时间; 2、测量液晶的视角特性及不同视角下的对比度,了解液晶光开关的工作条件; 3、学习并掌握液晶光开关构成显示矩阵的原理及方法; 4、了解液晶光开关构成图像矩阵的方法,学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式,从而了解一般液晶显示器件的工作原理。
成都华芯众合电子科技有限公司 2022-06-18
三维高分辨电阻率勘探及直接成像技术
项目简介用直流电阻率法的单极-偶极装置在全测区形成相互交错的正交观测系统;应用该三 维高分辨电阻率勘探及直接成像方法可以克服现有二维高分辨电阻率勘探方法由于旁侧 效应引起的洞道定位不准,和洞道形状不确定的问题。较一般的三维高密度电阻率勘探 对地下洞道的敏感性高,真正实现了对地下分析分辨单元的多次覆盖测量。 性能指标 具有较强的抗干扰和剔除静态偏移的能力,易于实现测区的滚动测量和无缝衔接。 三
江苏大学 2021-04-14
一种皮肤电阻变异性在线监测仪
成果创新点 可用于医疗监测、运动状态评估、测谎仪等。 对皮肤电阻进行检测,可帮助了解自身的自主神经健 康状况,及时治疗。运动员可以通过皮肤电阻变异性检测 装置了解自身交感神经的活跃度,从而了解自身状况是否 适合运动、剧烈运动后是否得到充分休息。当人说谎时, 交感神经活跃度会不自主地提高,造成皮肤电阻下降,这 些数据可以在仪器上直观地呈现。 相对目前主流侵入性检测,本技术无需 24 小时动态
中国科学技术大学 2021-04-14
一种皮肤电阻变异性在线监测仪
可用于医疗监测、运动状态评估、测谎仪等。 对皮肤电阻进行检测,可帮助了解自身的自主神经健康状况,及时治疗。运动员可以通过皮肤电阻变异性检测装置了解自身交感神经的活跃度,从而了解自身状况是否适合运动、剧烈运动后是否得到充分休息。当人说谎时,交感神经活跃度会不自主地提高,造成皮肤电阻下降,这些数据可以在仪器上直观地呈现。相对目前主流侵入性检测,本技术无需24 小时动态连续检测,无需限制测试者的活动;设备简单,容易测量。采样频率为 10Hz,远大于市面上其他的皮肤电阻采集器,可连续工作达 5 小时。数据无线传输,受测者在测试过程中可从事的活动类型不再受限;数据采集中不需变换档位,数据采集连贯无跳变。装置嵌入分析程序,无需专业医护人员,即可直观了解自主神经系统的健康情况。
中国科学技术大学 2023-05-17
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