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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
吸能防冲液压支架
 吸能液压支架是在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB226803)和国家自然科学基金面上项目(51174107)的支撑下,由辽宁工程技术大学和北京诚田恒业煤矿设备有限公司按照“微冲可抗、小冲可让、中冲可防、大冲可降”的设计原则合作研发。吸能液压支架支护巷道能实现“微冲不坏、小冲可修、中冲可换、大冲不垮”,最大防冲抗震震级为ML3.0级。  吸能液压支架静态支护下初撑力达4635kN(31.5MPa),工作阻力达5889kN(40MPa),支护强度≥1MPa(支护间距≤1m),安全阀开启压力40~44MPa,排液让压速率为1200L/min,支架让压位移为0.8m(可调);冲击地压动载作用下,支架吸能让位启动值为1.25~1.5倍工作阻力(让压速率为1m/s~5m/s),让压位移≤0.3m,抗冲击力≥3倍工作阻力。
辽宁工程技术大学 2021-05-04
吸能防冲锚杆
 在冲击危险性巷道,围岩变形能向自由空间释放,普通锚杆让位距离短、吸收能量小、抗冲击能力差,无法满足巷道支护要求。 吸能防冲锚杆由杆体、托盘、恒阻吸能器、异型螺母等构成。恒阻吸能器承载力为杆体屈服力的95%左右。冲击载荷作用下吸能防冲锚杆的恒阻吸能器塑性变形直接吸收围岩变形能,恒阻吸能器让位空间间接耗散围岩变形能。
辽宁工程技术大学 2021-05-04
造瘘口肠管防脱帽
本实用新型公开了一种医用工具,提供了一种结构简单,使用方便可靠,可防止造瘘口肠管脱出的造瘘口肠管防脱帽,解决了现有技术中存在的肠造瘘后肠管会从造瘘口脱出,不仅给病人带来诸多痛苦和不便,且脱出的肠管极易引发破损或伤口感染,给后期的治疗带来隐患等的技术问题,它包括环套在肠造瘘口外的环形底板,在环形底板上设有若干个用于缝合在皮肤上的穿线孔,所述环形底板的内环面向外延伸形成可扣罩在肠造瘘口上的罩壳,在罩壳的底面上分布着若干个导便孔。
浙江大学 2021-04-13
社区疫情防控云平台
防控云是北京邮电大学专门为社区疫情防控研制的技术支撑平台,主要由云平台、小区防控APP、街道统计报表和决策大屏、区级统计报表和决策大屏、市级统计报表和决策大屏等五个部分构成。该平台实现了对社区居民信息的收集与管理、社区居民出入的管控与记录、社区访客出入的管控与记录,并提供面向社区、街道领导的查询和统计功能,极大支撑和解决了目前小区的疫情管控工作。 云平台已经在郑州市二七区、郑州航空港实验区、许昌市城乡一体化示范区、深圳市南山区开展了试点示范工作。
北京邮电大学 2021-04-11
水貂保定用防咬头套
本实用新型的水貂保定用防咬头套它包括套筒、弹性卷板和支撑杆;所述套筒为前端封闭后端开口的结构;所述支撑杆的一端固定在套筒上,另一端位于所述套筒的后端,且固定连接所述弹性卷板的一端;所述弹性卷板包括横截面为弧形的钢板;所述套筒后端连接有一圈布带,在所述布带内设置有夹层,在所述夹层内设置有锁紧带,所述锁紧带的前端设置有通孔,在所述支撑杆的上端设置有与所述锁紧带上的通孔配合的凸钮。本实用新型可以快速方便的套在水貂头上,且具有良好固定作用。
青岛农业大学 2021-04-13
茶果园智能防霜机
项目简介 在国家“863”计划、农业部 948 计划和农业部公益性行业科研专项等项目资助下, 研制出具有自主知识产权的系列国产化茶果园防霜装备及自动控制技术。该系列农用防 霜机,采用逆温气流扰动原理,独创国际先进的智能控制技术,根据不同天气状况,自 动运行和关闭系统,运行节能 20%;防霜效果显著、面积大(小型机约 1.5 亩/套、大型 机约 20 亩/套);安装、使用操作简便,使用寿命长(约 15 年);适用性强,可满足不同 地区、茶果品种、地形、逆
江苏大学 2021-04-14
临床用防感染隔离装置
本实用新型提供了一种临床用防感染隔离装置,能够在有效过滤的同时,降低呼吸阻力,提高舒适 性。本实用新型所涉及的临床用防感染隔离装置,其特征在于,包括:过滤部,具有:过滤本体、和围 绕过滤本体设置的柔性框架,过滤本体上形成有多个相互平行的条状凸起、位于相邻两个条状凸起之间 的凹槽、以及将多个凹槽相互连通的连通槽;和佩戴部,具有:分别设置在柔性框架相对向的两侧的两 个耳带、和与两个耳带分别相连的两个固
武汉大学 2021-04-14
防肿瘤复发的术后凝胶
本技术构建了防肿瘤复发术后凝胶。原料选取天然生物材料(如海藻酸等),简单温和的水相制备不引入任何有机溶剂,成分间不发生化学交联反应,即不产生毒副产物。冻干-水化工艺形成内部多孔的柔软凝胶,一方面具备良好的可塑性,适用于任何形状的手术创面,另一方面可以吸收肿瘤摘除时局部出血,防止肿瘤细胞扩散。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 手术是现阶段实体肿瘤患者的主要治疗方法,但是术后进行的化疗等辅助治疗通常会导致严重系统性不良反应。并且化疗效果并不显著,术后肿瘤复发仍然很常见并具有很高的死亡风险,严重影响了病人术后的生存率和生活质量。在手术创面即时植入可控药物递送系统是一种行之有效的策略,但来自于化学合成的材料会引起局部的应激反应,局部使用高剂量的小分子化疗药物也会带来明显的毒副反应。针对上述问题,本技术构建了防肿瘤复发术后凝胶。原料选取天然生物材料(如海藻酸等),简单温和的水相制备不引入任何有机溶剂,成分间不发生化学交联反应,即不产生毒副产物。冻干-水化工艺形成内部多孔的柔软凝胶,一方面具备良好的可塑性,适用于任何形状的手术创面,另一方面可以吸收肿瘤摘除时局部出血,防止肿瘤细胞扩散。通过范德华力等物理作用包载具有抗肿瘤和增强免疫力作用的药物,长时间的局部缓释可以有效解决常规化疗药物半衰期短、肿瘤部位有效浓度低和需要频繁化疗的问题。术后凝胶使用方便,只需医生在手术创面放置后缝合伤口即可。由于凝胶原料的天然可降解性,无需进行二次手术,有效减少医生的工作量和患者的痛苦。
华中科技大学 2022-07-26
重大猪病防控技术
可以量产/n该项目提出多病因系统防控的科学构思和总体目标,针对猪病防控中存在基础研究薄弱、防控技术与产品缺乏等重大科技问题,围绕猪流感(SI)、猪细小病毒病(PPV)、猪圆环病毒病(PCV2)、猪链球菌病(SS)、副猪嗜血杆菌病(HPS)、猪萎缩性鼻炎(AR)和猪痢疾(SD)等重大猪病,重点开展新型疫苗和诊断制剂等防控技术研发,最终形成产品及防控技术的集成新,实现产业化、高效转化及推广应用。形成了45 项新产品。获8 项新兽药注册证书。疫苗系列创新产品为解决临床上重大猪病危害,多病因共
华中农业大学 2021-01-12
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