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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
防治储粮害虫的药剂及其在防治储粮害虫中的应用
本发明涉及一种防治储粮害虫的药剂及其在防治储粮害虫中的应用,属于生物农药技术领域。本发明一种防治储粮害虫的药剂,属于植物源杀虫剂,易分解,不污染环境,对人畜安全;其有效成分钻叶紫菀总挥发油,对害虫具有多种作用机理,不易使害虫产生抗药性,可长期使用;所述药剂灭虫后失去活性,不会积累在害虫体内,保护了生态环境;其制备方法简单易行,原料成本低,适合大规模生产,可广泛用于储粮害虫的防治。
中国农业大学 2021-04-11
氧化还原酶的发现及其在生物催化中的应用
(1)针对氧化还原酶在对映选择性和催化活性等方面的适用局限性问题,建立分子改造与基因组挖掘技术平台。通过理性设计改造野生型酶,改善和强化酶的催化特性与功能,获得具有自主知识产权的高活性、高立体选择性制备芳基手性醇的重组氧化还原酶及新基因,拓展了酶的适用性,并为进一步认识酶分子催化机制奠定基础; (2)建立了高效稳定全细胞催化的(S)-苯基乙二醇公斤级制备体系,在 100L 罐中,将底物浓度从 15 g/L 提高到 25 g/L,获得了生产规模放大和产物的高效提取与精制等重要研究成果。产物光学纯度和产率分别达到 99%和 93%。最终产物收率为 85%; (3)以数种手性醇酸化合物(R)-苯基乙二醇、(S)-间氯苯基乙二醇、(R)- 扁桃酸、(R)-2-辛醇为模型产物,通过生物催化剂筛选、理性设计催化过程、合理修饰底物和采用原位分离策略等,大大提高微生物不对称还原潜手性化合物的效率,为手性化合物的制备提供了高效、安全的生物途径。
江南大学 2021-04-11
聚丙烯酸酯微球及其应用
中国发明专利ZL2023104389499:采用高内相乳液模板法制备20-100微米的聚丙烯酸酯实心或多孔微球,可应用于吸附剂、药物香精载体或粉末涂料;制备简便、绿色环保且产率较高,基本无排放。
厦门大学 2025-02-07
高可靠忆阻器件及其视听觉传感应用
        技术成熟度:技术突破         传统CMOS工艺的图形处理器通常是由探测、存储、处理等多个分立系统构成,不可避免的增加了集成电路的复杂性、功耗和成本,忆阻器在新型信息存储器件、存算一体化技术及人工神经网络等领域有着巨大应用潜力。         研发团队发展的感存算一体化新型光电忆阻材料与器件能够解决传统人工视听觉系统在容量、集成度、速度等方面的技术瓶颈问题,是实现高效智能视听觉传感系统的基础。研发团队首次在基于氧化钨材料忆阻突触器件的视听觉系统中模拟了速度检测的多普勒频移信息处理,进而实现高通滤波和处理具有相对时序和频移的尖峰数据。这些结果为视听觉运动感知的模拟提供了新机会,促进了其在未来神经形态传感领域的应用。         意向开展成果转化的前提条件:中试放大及产业化工艺开发资金支持
东北师范大学 2025-05-16
分子植物卓越中心等发现OsPHR-OsADK1分子模块调控菌根共生的分子机制
近日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王二涛团队等在New Phytologist上在线发表了题为A PHR-regulated receptor-like kinase,OsADK1 is required for mycorrhizal symbiosis and phosphate starvation responses的研究论文。该研究揭示了OsPHR-OsADK1模块调控菌根共生和磷信号响应的分子机制。
分子植物科学卓越创新中心 2022-10-26
联合循环发电机组的性能指标修正比较方法及调控系统
本发明公开了一种联合循环发电机组的性能指标修正比较方法,包括:1)根据实时数据库中的测量数据,计算联合循环机组在当时大气环境、运行方式下整体的功率、热耗率和气耗率;2)获取与性能修正计算因子相关的测量数据,计算相关的性能指标修正计算因子;3)对步骤1)中的各项性能指标进行修正得到修正计算后标准ISO工况的性能指标;4)将标准ISO工况的性能指标数据与其它机组或本机组以往的修正计算后标准ISO工况的性能指标数据进行比较,根据评估结果由运行人员输出相应的运行调整控制指令。本发明还公开了一种基于联合循环发电机组的性能指标修正比较方法的调控系统。本发明方法可优化机组运行,提高经济性和安全性。
浙江大学 2021-04-11
二氧化硅中空微球的产业化生产与结构调控关键技术
本团队采用新型结构导向技术来实现亚微米和纳米二氧化硅中空微球的溶胶凝胶法和沉淀法高浓度制备,能够满足大规模工业生产的需要,并能对其纳米壳层结构进行精准调控,为相关功能材料的性能设计提供合成技术基础。现有二氧化硅中空微球制备技术的投资成本高、设备生产率低、控制难度大,无法在工业规模上对其特有的纳米结构进行精准调控,严重限制了中空微球在高端产业中的应用。本团队基于全新的中空结构导向技术,在间歇反应釜中通过溶胶凝胶法和沉淀法实现中空微球的高密度、大批量生产,具有设备生产率高、微球结构规整、壁厚可控、容易复合改性等优点,突破了中空微球规模化生产的技术瓶颈。通过改变导向剂分子结构和生产工艺微调,可在 50-400 纳米范围内对中空微球的壁厚进行精准调控,使其对不同波长的光信号产生各种响应,并能通过控制中空和多孔结构调节比表面积、导热系数、阻尼特征、机械强度等性能,满足不同功能材料领域的要求。该技术还可以实现脂溶性物质或纳米颗粒与二氧化硅的复合,制备出具有功能多样性的复合中空微球, 如将氧化锡锑(ATO)与二氧化硅中空微球复合,可制备兼具紫外光、可见光、近红外反射和隔热功能的复合中空微球保温填料。 
华南理工大学 2023-05-09
科研进展 | 西湖大学细胞命运调控实验室破解人源Eag2的延迟整流机制
作为生命的单位,细胞通过细胞膜与外界进行隔离,也通过细胞膜与外界进行信号转导和物质能量交换。细胞膜上有多种元件感受外界的刺激,并实现细胞状态的转变,科学家也可以利用这些元件,在细胞外增加刺激,从而调控细胞命运。
西湖大学 2023-03-22
调控组蛋白修饰的新思路《德国应用化学》刊发西湖大学吴明轩团队最新成果
组蛋白H3的N端翻译后修饰在调控基因转录活性和染色质结构方面发挥着非常重要的功能,其异常修饰可能会导致发育紊乱和癌症的发生。
西湖大学 2022-11-29
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