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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
专家报告荟萃⑯ | 延边大学党委副书记于金欢:扎根边疆 ·融创未来——就业育人的范式革新与生态共建
学校全面贯彻落实党中央、国务院及吉林省委、省政府“稳就业”“保就业”决策部署,坚持把毕业生高质量就业作为全面落实立德树人根本任务的内在要求。
高等教育博览会 2025-07-01
耐冻融环境的纤维复合再生混凝土柱及其制备方法
本发明提供了耐冻融环境的纤维复合再生混凝土柱,按重量份计,该混凝土柱的原料包括:水泥1份、水0.53份、砂1.86份、原生粗骨料1.72份、再生粗骨料1.72份、以及纤维0-8kg/m3?混凝土柱;所述再生粗骨料为废弃混凝土,原生粗骨料为天然鹅卵石;所述纤维为CFRP、BFRP、AFRP、GFRP和钢纤维中的至少一种,所述纤维作为建筑材料或加固材料。本发明还提供了制备该混凝土柱的方法。本发明的混凝土柱具有耐冻融环境、容易制备,美观和环保节能的优点。
四川大学 2016-09-12
设备状态检修及风险预警
改变设备定期检修的错位现象(该检修的不检修,不该检修的使劲检修),实时采集现场设备运行数据及工况数据,以AI模型评价设备状态并预警未来风险,实现精准检修,节省成本并提高安全性,保障生产线满足生产机交货需求,减少零部件储备量。
重庆邮电大学 2025-02-21
一种扫描式循环供电的融冰雪桥面电热系统
本发明公开了一种扫描式循环供电的融冰雪桥面电热系统,是将桥面融冰雪电热系统按电力负荷能力分设为独立可控的各并联电热单元,各电热单元沿车辆行驶方向按设定的间距平行布设呈纵向阵列,控制纵向阵列中各电热单元分组按扫描的形式以设定的时序循环工作。本发明既充分利用了供电系统的可提供电功率,又使得电热系统的总功率得以保障;并提高了加热的均匀性,避免融化水二次结冰;还提高了融雪化冰系统的可靠性,也为维修带来便利;对于各种特殊路段,包括机场跑道、隧道入口过渡区域等都能广泛应用,使电热融雪化冰的方法得到良好的应用。
安徽建筑大学 2021-01-12
应用于融冰雪桥面的复合功能层的施工方法
本发明公开了一种应用于融冰雪桥面的复合功能层的施工方法,其特征是:复合功能层是位于桥面面层的下部,自桥面面层起朝向下方依次为导热层、隔热层和钢筋混凝土层;所述复合功能层是按照依次进行桥面处理、铺筑隔热层、构造齿状凹槽、埋置隔热垫层和安装加热装置,最后铺筑导热层的步骤完成施工,本发明利用复合功能层实现了热量单向向路表面迅速传递、提高热效率,以及有效保护加热装置的发明目的。
安徽建筑大学 2021-01-12
地下水位在线监测设备 监测液位温度,液面到泵端水位变化的连续测量
WH311简述地下水位监测实施方法地下水位在线监测系统被广泛应用于地下水深井水位测量,矿山水位计深井测量,地热井水位测量。其测量范围能够达到100米,300米甚至1000米,主要是基于WH311内置超强抗高压高密封性传感器芯片,一体成型结构,三重防雷工艺。信号传输采用级别的抗拉抓力钢丝电缆,确保测量信号能实时的,高精度稳定的输出显示。 地下水位在线监测设备 监测液位温度,液面到泵端水位变化的连续测量   WH311地下水位在线监测系统工作原理:    WH311地下水位在线监测系统根据压力与水深成正比的静水压力原理,运用水压敏感集成元器件做深井水位测量仪传感器探头,当传感器探头固定在水下某一测点时,该测点以上水柱压力高度加上该点的高程,即可间接测量出水位高低(水面到井口的距离);直接测量出的是传感器探头以上深井的液位实际高度。     WH311地下水位监测仪主要技术指标     WH311地下水位监测仪生产工艺:    深圳市东方万和仪表有限公司引进欧洲的三重防雷,和六道防水工艺,保证了长期深井水下工作的IP68防护等级。     WH311地下水位监测仪产品特点   1、特别适合深井或地下水位监测   2、采用静压式原理,激光标定零点、满量程   3、厂级别铠装钢丝电缆   4、三重防雷模块,保障野外测量更安心   5、液位温度一体式,可同时测量温度和液位   6、量程可做到1000米深井液位测量   WH311地下水位监测仪应用   1实时监测深井地下水的实际水深,然后低位停泵(防止深井泵空转烧坏)。   深井液位监测因为其测量的特殊性,超声波等非接触的无法有效传输信号,磁翻板,气泡式无法做这么深的量程,故只有选择WH311投入式深井液位探头,保证在1000米水下(承受100Bar水下压力还要保证密封性).    WH311地下水位监测仪信号传输采用级别的聚氨酯钢丝电缆(放的过程中,一定要注意对电缆的保护),确保测量信号实时的,高精度稳定的输出。然后显示器会有两个继电器开关量输出,在低位的时候(这个值用户可以根据工艺自行设置)自动停泵。   地热温泉井温度液位一体式测量   很多地热温泉井需要实时监测实时的液位和温度变化,WH311-DZ温度液位一体式测量仪根据地热温泉井的特性而特殊设计,温度液位一体式探头直接传输温度和液位双信号,双4-20mA传输也可以RS485通讯协议输出。配套WH6双通道显示器,上面实时显示水位,下面实时显示温度。   WH311地下水位监测仪获得了欧盟,美国等多国认证   应用案列分析:    东方万和仪表的工程师帮助了贵州地质局,吉林大学地球学院,新疆地震局等数十家用户实现了深井液位实时监测和低位停泵功能。   SGS通标标准技术服务有限公司(通标、SGS中国、SGS通标)是全球公认检验、、测试和认证机构,WH311地下水深井水位测量仪通过了SGS通标的校准证书,证书编号:200006512,证书记载东方万和WH311的误差为0.009mA,实际精度超过千分之一,达到了万分之六误差范围之内。    东方万和仪表的工程师帮助了中铁四局,中国建筑第二工程局,葛洲坝南京地下空间等数十家用户实现了水位实时监测并带记录功能,数据可以用U盘直接导出。现在我们重点分析一下葛洲坝南京地下空间记录监测方案   WH311地下水位监测仪拥有了很多用户,从2013年到现在6年间,就已经有超过100000家用户选型WH311水位测量仪,解决深井液位显示报警的问题。东方万和仪表先后为贵州地质局500-1000米深井液位监测系统,武汉地震局80米地下水位监测项目,清华大学,吉林大学地球学院地下水深井液位监测.万和仪表致力于给用户工程师提供高精度,高稳定的测量方案,为用户解决深井液位测量难的问题。
深圳市东方万和仪表有限公司 2026-01-09
实验室EDI超纯水设备
EDI(电去离子)是一种将电渗析和离子交换技术相结合的超纯水制备工艺-2。 核心优势:其最大的优点是在直流电场的作用下,系统内的离子交换树脂可以连续不断地自动再生,无需像传统混床离子交换那样停机使用酸碱进行化学再生-2。这使得它可以连续、稳定地生产高纯度水,无化学污染排放,运行和维护成本也更低-2。 出水能力:采用EDI技术为核心的系统,通常结合反渗透(RO)等前置工艺,可以稳定地产出电阻率达到15 MΩ·cm以上的高纯水-2,最终出水的电阻率最高可达18.2 MΩ·cm(25℃)的超纯水-1-5-8
青岛华膜环保设备有限公司 2025-11-25
船舶动力设备振动主动控制技术
        技术成熟度:技术突破         针对船舶机械设备减振降噪需求,提出了结构振动信息作为性能指标的主动减振控制策略。解决了船舶复杂应用环境下,主动减振技术“减振不一定降噪”的难题。攻克超低频、高出力密度主动减振系统执行机构的分析方法和设计关键技术,研发了系列化的电磁式作动器和主被动复合减振器,应用于船舶主机、辅机和管路系统振动抑制。突破了现有主动执行机构低频作动能力的瓶颈,发明了准零刚度作动器,有效覆盖国外探测技术的频率下限,解决了新一代船舶对超低频线谱振动和水下辐射噪声控制的迫切需求。提出了稳定性高、收敛速度快、扩展性强的主动减振核心控制算法并形成工程应用软件。突破了参考输入线谱增强、多频振动均衡控制、控制输出饱和抑制等一系列核心关键技术,解决了主动减振技术实船应用的稳、快、准的难题。研发了首套兼具工作过程自监测、运行故障自诊断、控制效果自评估功能的集成化、模块化主动控制系统,实现了主动减振系统100%国产化。解决了船舶机械设备主动减振系统关键部件自主可控难题。         意向开展成果转化的前提条件:船舶机械设备减振降噪
哈尔滨工程大学 2025-05-19
除湿设备 加湿设备
产品详细介绍产品特点: ■湿度五档可设定,微电脑数码智能自动控制 ■低温自动除霜系统,水箱满自动停机 ■底部装有万向轮,移动自如,可连接外排水管 选型方法 1、根据温湿度要求,确定含水量>9g/kg,含水量<9g/kg选用转轮除湿机。 2、按面积高度,湿负荷选择。 3、空调风量、新空量。 4、多台对角均布放置,效果更佳。 型 号 DH-368D DH-588D 除湿量 36升/天 58升/天 电源/插头 220V~50Hz/三扁插10A 输入功率 730w 900w 环境温度 5~38℃ 循环风量 340 m3/h 520 m3/h 排水方式 水箱容量(6 / L)或软管连续排水φ13 压缩机保护 三 分 钟 延 时 适用面积(2.8m/层高) 30 ~50 40 ~ 80 体积(宽深高) 533×403×653mm 净 重 31 kg 33 kg 噪 音 33dB 35dB
杭州科兰德除湿设备有限公司 2021-08-23
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