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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
大陆地壳生长-稳定化与早期板块构造的启动
项目成果/简介:早期大陆的形成演化及其构造机制一直是固体地球科学的基础与前沿科学主题,对于深入认识太阳系类地行星和地球的起源与发展、理解现代地球过程、预知地球未来的演变都有重要意义。板块构造是随着地球壳幔体系的演化和大陆地壳的生长,逐渐发展、建立、成熟起来的。大约在2.7-2.5 Ga前随着全球一批成规模的稳定大陆地壳的出现,标志着全球构造开始了从热构造体制向垂向-横向运动的构造体制转化,开启了地球系统
西北大学 2021-01-12
一种激光辅助低温生长氮化物材料的方法与装备
本发明公开了一种激光辅助低温生长氮化物材料的方法及装备, 该方法将非氮元素的前驱体蒸汽和活性氮源前驱体气体分别输送到反 应腔室内温度为 250 至 800℃的衬底材料处,利用波长与活性氮源分 子键共振波长相等的激光束作用于活性氮源气体,使激光能量直接耦 合至活性氮源气体分子,加速 NH 键的断裂,提供充足的活性氮源, 使非氮元素与活性氮源发生化学反应,沉积第 III 族氮化物膜层材料, 持续作用直到沉积物覆盖整个衬底
华中科技大学 2021-04-14
一种自发成核过程可控式的DAST晶体生长装置
本技术属于溶液法晶体生长设备技术领域,涉及一种有机非线性光学晶体的溶液降温生长方法,特别是一种方形四棱锥底式DAST晶体自发成核生长装置,通过生长装置和底部载晶斜板的特殊设计,大幅增加可用来生长晶体的载晶斜板有效面积,提高DAST晶体生产效率,同时可消除载晶斜板外的自发成核晶体生长,有效提高晶体生长的稳定性,进而大幅改善斜板式自发成核法生长DAST晶体的质量。本发明与现有技术相比,其选用的生长装置结构简单,成本低,组装简便,操作方便,可大幅增加晶体生长缸中用以生长晶体的有效面积,提高DAST晶体生产效率;同时有效控制聚四氟乙烯四棱锥外的自发成核晶体生长,提高晶体生长的稳定性,进而大幅改善自发成核法生长DAST晶体的质量,有效解决了传统斜板式自发成核法中,在斜板之外其它位置容易出现无效的自发成核杂晶生长问题,提高晶体生长的稳定性和生长效率。可望应用于有机晶体的自发成核生长。
青岛大学 2021-04-13
一种利用锡须生长制备一维纳米线的方法
本发明公开了一种利用锡须生长制备一维纳米线的方法,在基片上沉积金属层,利用光刻工艺形成条纹状的纳米级金属细线;将金属细线的两端接电极,通电,促使金属层加速生长晶须得到一维纳米线。本发明能够有效控制纳米级细线的直径大小和长度,生长出来的一维纳米线直径均匀,并直接在基底上生成,有利于三维封装的连接。
华中科技大学 2021-04-11
降解石油、修复石油污染土壤生态菌制剂及其制备方法
在石油开采、运输和使用中不可避免的会造成对周围环境的污染,尤其是对土壤生态系统的污染日趋严重。对于石油污染土壤生态的修复,国内外已有一些研究,但是,还未见高密度、高活性,能原位大面积使用的降解石油、修复石油污染土壤生态的菌制剂的报道。本发明涉及一种降解石油、修复石油污染土壤生态菌制剂及其制备方法。降解石油、修复石油污染土壤生态的菌制剂是由巨大芽孢杆菌、荧光假单胞菌、粪链球菌和热带假丝酵母经优化组合组成的复合菌群,其中各组分的配比是1~2∶1∶1∶0.5~1。
南开大学 2021-04-10
水溶性二甲硝咪唑原料药及其系列制剂
一、项目简介: 二甲硝咪唑是一种低毒,广谱抗菌、抗原虫的治疗或预防药物,作为饲料添加剂使用,还具有促进动物生长及改善饲料转化率作用。但其难溶于水,适用范围受到了限制。国外已开发上市以水溶性二甲硝咪唑组方的品牌制剂“施得福”,在我国兽药市场畅销,创造了很好的经济效益。针对上述,进行了水溶性二甲硝咪唑原料药及其系列制剂的开发研究。二、转让技术内容:  1、水溶性二甲硝咪唑原料药合成技术转化工艺特点:以来源广、价格低廉的原料药与二甲硝咪唑经一部反应生成水溶性二甲硝咪唑。本品反应收率高(98%),条件温和,后处理简单,基本无三废,设备投资较小(视产量而定)。所得产品溶解性、含量、生物利用度等与进口产品相当。转让内容:合成工艺技术,产品质量标准(草案)
武汉工程大学 2021-04-11
防治奶牛乳房炎的中药组合物及其制剂和应用
本专利(专利号:ZL201310124826.4 ,发明人系荣昌校区教师,长期从事新中兽药的硏发),首次提 出奶牛乳房防治新方法"乳头孔给药",克服了其他传统给药方式的不足,如静脉、肌注以及乳房外透皮给 药等存在的血乳屏障、皮肤屏障使药物很难达到乳池,而乳房灌注剂虽然药物直达乳池,但操作非常困难, 需要专业人士专业工具,临床使用不便且易损伤乳头。本专利以清热解毒、活络通乳为原则进行了大通量筛 选制得的新型纯中药软膏剂,直接在乳头孔给药,药物既可以很快释放进乳池,也可以收缩乳头孔括约肌, 有效减少乳头孔开放时间,避免病原微生物再次侵入。现已进行了药效学和安全性评价,目前该专利以独占 许可方式转让给了一家兽药GMP药厂,正在进行中试生产,后期将开展3期临床试验,为申报新兽药作准备。如果成功上市,且能有效控制乳房炎的发病率,加之无抗生素残留问题,市场前景非常可观。
西南大学 2021-04-13
降低水稻籽粒中汞含量的制剂及其制备法和用法
本发明公开了一种降低水稻籽粒中汞含量的制剂,其制备方法为依次包括如下步骤:1)、于反应釜中加入1L水,调节水温至50-60℃;2)、依次分别加入L-甲硫氨酸15-20g、L-半胱氨酸100-150g、L-硒代甲硫氨酸25-30g、谷胱甘肽50-60g、磷酸二氢钾120-200g及复硝酚钠10-15g;3)、所得物冷却至室温后,过滤、灭菌、灌装即为成品——降低水稻籽粒中汞含量的制剂。本发明还同时提供了该制剂的使用方法。采用本发明,能实现中轻度汞污染地区种植的水稻籽粒汞含量不超过20μg/kg。
浙江大学 2021-04-13
一种治疗妇女崩漏的中药制剂及其制备工艺
“崩漏停颗粒”处方来源于江苏省沭阳县名老中医张成桂中医师及其子沭阳成桂医院院长张振宇副主任中医师40多年治疗崩漏 (功能性子宫出血)临床经验方。现由南京中医药大学按照CFDA相关技术要求研制成中药6.1类中药复方制剂,基于产品安全性、有效性考虑,并兼顾临床汤剂应用历史和干膏得率实际,开发成颗粒剂,具有化瘀止崩、排经固冲、散结止痛之功效,可用于功能性子宫出血属于瘀血阻滞者;症见猝然血崩或月经过多,漏下不止,色红,夹有血块,少腹疼痛拒按。项目进展已完成处方制备工艺研究、质量标准研究、稳定性试验、主要药效学研究及毒理研究,进行了安全性、有效性、质量可控性综合评价,已获得CFDA新药临床批件(批件号:2017L01841)。应用前景 崩漏为妇科常见病、多发病、疑难病,总发病率为20%~22%左右。西医治疗崩漏的方法主要为激素类药物治疗和创伤性刮宫,疗效难以巩固且副作用大,中医药治疗崩漏优势明显且临床方剂众多,但汤剂服用多有不便,顺应性差。目前临床用于治疗崩漏的中成药品种仅“宫血宁胶囊”等极少数品种,宫血宁由中药材重楼提取纯化得到的重楼皂苷制成,为中药有效部位制剂,不属于中药复方制剂。“崩漏停颗粒”在沭阳成桂医院临床用于治疗各种原因导致的功能失调性子宫出血近40年,累计病例总数已经超过10000人,临床疗效显著。临床观察表明“崩漏停颗粒”治疗功血之疗效优于“宫血宁胶囊”,主要药效学试验亦证实崩漏停颗粒有减少流产大鼠子宫出血、缩短正常和模型小鼠凝血时间的作用。“崩漏停颗粒”组方科学,剂型合理,专利独家,临床应用历史悠久且疗效确切。本品的开发上市将填补中药复方制剂治疗崩漏的市场空白,为广大的崩漏患者带来福音,同时能够优化企业产品结构,促进地区医药市场发展,从而创造巨大的社会价值和商业利润。转让或合作方式建议合作方式临床批件转让或合作开发
南京中医药大学 2021-04-13
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