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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
电动汽车无刷混合励磁同步电机及其控制器
已有样品/n该技术可解决目前纯电动汽车及混合动力汽车所用永磁电机存在过压风险、弱磁调速困难、整体效率较低等问题。具有以下特点:① 双向调磁,可满足纯电动汽车宽范围调速要求;② 电机高速时不存在过压风险;③ 无刷结构,可靠性高。
湖北工业大学 2021-01-12
利用A-to-I RNA编辑揭示miRNA及其反义RNA的相互调控网络
利用A-to-I RNA编辑作为miRNA反义链表达的有利证据。通过靶向RNA测序技术,宋玉龙和李丽诗等利用A-to-I RNA编辑推导链表达的方向,揭示了miRNA基因座反义RNA的广泛表达和编辑现象。宋玉龙和李丽诗等发现miRNA和其反义RNA形成了一个相互调控的网络:miRNA可以下调其反义RNA的表达水平;反义RNA在转录水平和转录后水平调控miRNA的表达和加工。此外,A-to-I RNA编辑可以稳定反义RNA的结构,避免其被配对的miRNA所降解。这一研究揭示了前人所未知的miRNA反义链编辑现象的广泛性,为RNA编辑的研究开辟了新的研究方向。
中山大学 2021-04-13
一类N-取代胺基香豆素及其除草与杀菌用途
本发明涉及25种N‑取代氨基香豆素衍生物及其制备方法,以及在抑菌、除草方面的用途。25种N‑取代氨基香豆素衍生物,通过6‑氨基香豆素与间氟苯甲醛缩合并用NaBH4还原得中间体,再将其与不用酰氯在三乙胺存在下缩合得系列目标化合物。这些化合物可作为除草剂防治杂草马唐及反枝苋,也可作为杀菌剂防治番茄灰霉病菌及苹果腐烂病菌。
青岛农业大学 2021-04-13
英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化
金刚石半导体集热、电、声、机械等特性于一体,在禁带宽度、击穿场强、迁移率和热导率等方面远高于其他半导体,被称为“终极半导体”。英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化,可以极大地推进我国半导体的革命性变革,实现我国微电子行业的跨越式发展,达到国际先进水平。本项目在国家“千人计划特聘专家”王宏兴的推动下,已经完成了两种微波等离子体CVD设备的设计和制造,利用这些设备已经完成了英寸级单晶金刚石衬底的工程样品,实现了克隆衬底工艺的全线贯通,具有小批量产业化能力。按照日本相关公司的预测,随着金刚石半导体的发展,在2030年,中国的市场规模达到100亿美元。由于金刚石生产中的主要成本是甲烷、氢气和消耗电力的费用,成本较低,经济效益显著。 金刚石半导体特性 关键设备-MPCVD 克隆技术 单晶金刚石衬底
西安交通大学 2021-04-11
寒武纪大爆发时期动物门类多样性及其演化关系研究
项目成果/简介:以埃迪卡拉纪晚期至寒武纪早期的生物群和地层为研究对象,开展动物门类多样性及其演化关系研究。揭示海洋生态系统内动物门类多样性在空间上的变化和时间上的演化过程。同时,发现更多门类的最早化石记录,提高三大亚界内部门类之间谱系演化关系的解析度。
西北大学 2021-01-12
一种建筑石膏用有机-无机高效复合防水剂及其应用
本发明涉及一种建筑石膏用有机-无机高效复合防水剂,包括以下重量份数的组分A和组分B,所述组分A为聚甲基三乙氧基硅烷3.2~4.8份,所述B组分为通用硅酸盐水泥9.4~21.6份和矿粉75.1~87.3份。本发明将有机硅防水剂和无机耐水材料复合,用于改善建筑石膏制品的性能,能大大提高石膏制品的软化系数、降低其吸水率,使软化系数达到0.9以上,而吸水率降低至10%以下,防水效果、耐水性和产品强度显著优于普通建筑石膏制品。另外,该发明对建筑石膏制品不仅能达到很好的防水效果,而且还能保持建筑石膏制品良好的透
安徽建筑大学 2021-01-12
对称空间中流动和传热机理研究及其工程应用研究
对称空间中流动和传热机理研究及其工程应用研究,对从具有对称结构 的锅炉炉膛内流动问题抽象出的二维流动模型进行了数值模拟,探讨在这种对称 结构下出现的非对称流动机理。研究表明,对于具有完全对称结构的流动问题, 由于内部的原因可能出现非对称的流场,为分析锅炉炉膛中出现的热偏差机理提 供了基础。
上海理工大学 2021-01-12
新型纳米粉体低成本合成及其在传感器中的应用
内容介绍: 金属氧化物半导体气敏材料由于具有灵敏度高、响应一恢复快、制备 简单、价格低廉、选择性可方便通过材料表面修饰等进行改善的优点, 在传感器领域具有很好的应用前景和实用价值。 本项目利用环境友好、低成本的低温方法合成了纳米材料,通过材料 成分的设计和工艺参数的调控来获得具有形貌可控的纳米材料,将其应 用到气敏元件。通过其对可燃和有毒气
西北工业大学 2021-04-14
难降解有机废水电催化氧化处理技术及其设备的开发
1、成果简介:(500字以内) 电化学水处理技术是20世纪80年代末、90年代初发展起来的能够有效处理有毒难降解污染物的先进废水无害化处理方法。该法的主要特点是能在常温常压下将不易降解的有机物质完全燃烧或部分降解到可容易生物处理的程度而不带来二次污染,具有处理效率高、操作简便、与环境兼容等优点。近二十年来,国内外许多研究者进行了大量研究工作,取得了较大突破。已经发现,电化学处理成本高主要是由于电耗高。对于低浓度有机废水,如果提高电流效率,就会降低处理费用;对于高浓度废水,如果将有机物部
吉林大学 2021-04-14
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