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科技新闻 2020-11-23 16:22196未知admin

  

 

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  每个人都知道水是什么,它是我们所知道生命的关键。水的独特之处在于它对压力和温度变化的反应,可以和其他液体完全不同。是什么原因导致水对压力和温度的反应与其他液体不同,科学家们已经研究了一段时间。

  一个国际研究小组已经证明,水可以以两种不同的液体状态存在。这一发现或许可以解释这种无处不在的液体的异常特性。大约30年前,根据计算机模拟的结果,提出了水以两种不同液态存在的可能性。由于水在0度不可避免地形成了冰,因此进入水的两种液态的实验一直是个难题。

  水的典型液态是大家所熟悉的,是正常温度下的液态水。研究发现,在零下63摄氏度左右的低温条件下,水以两种不同的液态存在。一种状态是低压下的低密度液体,另一种状态是高压下的高密度液体。两种液体的性质明显不同,密度相差20%。

  研究结果暗示,在适当的条件下,水会以两种不相溶的液体存在,被一个薄薄的界面隔开,类似于油和水的共存方式。由于水在地球上的生命和不同领域,如生物化学、气候、低温保存、低温生物学、材料科学和其他工业过程中发挥着根本性的作用,因此学习关于水的一切可能是非常重要的。

  这两种液体状态可能会影响多种科学和工程应用。该项目的研究人员指出,关于两种液体的存在如何影响到一般oculus溶液的行为,这仍然是一个悬而未决的问题。

  浙江大学医学院、良渚实验室与中国科学院植物研究所科研团队合作,解析了绿硫细菌古老光合反应中心的原子空间结构,揭示了独特的色素分子空间排布及能量传递机制,有助于理解光合反应中心的起源和进化,为设计光敏器件、提升植物光能利用率提供借鉴。相关研究于2020年11月20日刊登在《科学》杂志。

  光合细菌是一种35亿年前就在地球上出现的古老的原核生物体,在经历漫长的生物进化和多次对生物界具有毁灭性的气候大灾变后,这些古老的生物依然顽强地活着。绿硫细菌是光合细菌大家庭中的一员,这类细菌具备独特的光合作用系统,能够在光线极弱的环境中进行光合作用。

  科研团队优化了样品制备的各环节,获得了稳定且足够的蛋白复合体样品,通过冷冻电镜技术,收集了近万张样品颗粒的电子显微镜成像图片,最终成功解析了绿硫细菌反应中心的三维原子结构。

  绿硫细菌反应中心的叶绿素分子分为两层,两层叶绿素之间有一条明显的“间隙”。据浙江大学医学院附属邵逸夫医院、良渚实验室教授张兴介绍,在目前已经解析的其他光合作用反应中心结构中,类似的“间隙”中间都有一种作为桥梁的叶绿素分子来促进能量由上层的叶绿素分子传到下层叶绿素分子,但在绿硫细菌反应中心内部没有这个桥梁分子。

  “光合作用的反应过程十分复杂,反应中心的空间结构也极其复杂。在地球几十亿年的历史中,光合反应中心起源只产生过一次,地球上现有的所有光合反应中心都是从同一个祖先蛋白通过发散方式进化而来。”张兴说,课题组下一步研究将努力获取更多的数据,来揭示该古老反应中心进行能量传递的分子机理。未来有望通过人工模拟光合作用机制、仿生设计光敏器件,改造植物光合反应系统、提高太阳能利用率,提高农作物产量。

  中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心与上海交通大学的研究人员,通过大量精细实验并结合模拟计算发现,当晶粒尺寸降低到几纳米时,纯金属铜多晶体会形成一种新型亚稳结构——受限晶体结构。相关研究成果近日发表于《科学》。

  金属通常以多晶体形式存在,即许多金属原子按一定规则整齐排列在一起形成一个有序区域,称为晶粒。晶粒尺寸越小,晶界上原子就比较多,多晶体的稳定性就越差。对于某些金属合金,当晶粒尺寸减小到足够小时(通常为几纳米),整个多晶体结构会失稳,形成一种亚稳的非晶态固体,它在受热或力的作用下会进一步向更稳定的晶体转变。

  论文第一作者、中国科学院金属研究所研究员李秀艳介绍,非晶固态只在有限的合金成分范围内才能形成,对于绝大多数合金和纯金属,无论晶粒多么细小也无法形成非晶固态。那么,在多晶体晶粒尺寸不断减小接近某极限值(如原子尺寸)前是否存在别的亚稳态结构?

  此次研究团队发现的这种新型亚稳结构——受限晶体结构,具有极小界面的三维结构,表现出极高的热稳定性和力学稳定性,在纯铜的熔点以下不发生晶粒长大,其强度接近理论强度。这一发现表明除非晶固态外,多晶体金属在晶粒极细时还存在另外一种亚稳固体状态,其稳定性甚至远高于非晶固体。

  研究人员利用两步低温塑性变形技术,成功地将纯铜薄片的晶粒尺寸降低到10纳米以下。他们在显微结构下观察发现,这种极细的多晶体中呈现出典型的类似水油不互溶双连续相中常见的流形结构。经系统表征纳米晶粒的尺寸、形态、取向及分布等,他们发现,许多极小晶粒具有规则的Kelvin截角八面体形态,并且存在相当数量的低能界面。结合这些结构特征和分子动力学模拟计算,研究人员发现这种极细晶粒之间的界面具有一种极小界面结构特征,这种被称为Schwarz-D的界面的平均曲率为零,结构稳定性很强。同时,极细晶粒中大量低能孪晶界又进一步约束了这种极小界面,使其稳定性更高。

  李秀艳表示,受限晶体结构的发现为探索固态物质结构基本特征及其新性能开辟了全新空间,也为研发高稳定性金属材料及制造工艺提供了新的机遇。

  左上:纯铜中受限晶体的TEM明场像;右上:高分辨透射电镜观察显示受限晶体显示出近截角八面体特征;下:MD模拟显示受限晶体特征

  近期,中国科学技术大学潘建伟、苑震生等人与德国、意大利科学家合作,开发出一种专用型量子计算机——71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器,对量子电动力学方程施温格模型进行了成功模拟,取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。11月19日,国际著名学术期刊《自然》杂志发表了该成果。

  规范场理论描述基本粒子之间的相互作用、产生和湮灭过程可以用晶格中超冷原子之间的相互作用及其排布模式来模拟 制图/石千惠、梁琰

  规范场理论是现代物理学的根基,如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等都是满足特定群对称性的规范场理论。迄今为止,标准模型成为统一描述强、弱、电磁三种相互作用的最成功的理论,杨振宁、米尔斯、温伯格、费曼等科学家为此作出重要贡献。但是,求解各种规范场方程的计算复杂度非常高,对超级计算机的数值计算能力形成重大挑战。

  近年来,国际科学界试图开发“量子模拟器”这种专用型量子计算机,制备目标量子物态,获得规范场模型的各种物理性质。多个知名国际科研机构用超冷原子、囚禁离子等体系对规范场模型的基本单元进行了初步的量子模拟研究,但在实验中遇到一系列难题。

  近期,中科大研究团队开发了独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等量子调控和测量技术,解决以往的量子模拟器中相干调控的粒子数太少和无法同时产生规范场、物质场的两个主要问题。

  通过实验上的精确调控,他们在71个格点的超冷原子量子模拟器上模拟了一维格点体系的施温格方程模型,首次模拟了规范场与物质场之间的相互作用和转化,并由此观测到了局域规范不变性,验证了高斯定理,在使用规模化的量子模拟器求解复杂物理问题的道路上取得了突破性进展。

  《自然》杂志审稿人对此给予高度评价,认为这是“量子模拟方法研究晶格规范场的一个重要里程碑”,取得的成果将对量子信息、原子分子光学、固态物理等科研领域产生积极影响。

  天气日渐寒冷,人们穿上了防寒服御寒保暖。但是像飞机、风力涡轮机、输电线路和公路等基础设施如果也怕冷该怎么办?记者从天津大学获悉,该校化工学院张雷教授团队成功研发“超级涂层”。这种新型涂层能够为户外、高空、高寒等环境下的仪器设备穿上“防寒服”,实现高效率、低能耗、无损伤防冰除冰。相关成果已发表于国际权威期刊《化学工程杂志》。

  在高空高寒环境下,飞机、输电线路等设备表面结冰常常带来重大经济损失,甚至造成灾难性事故。目前主流除冰方法有电热除冰、热风除冰、机械除冰等。但这些技术方法通常效率低且耗能高。其他基于化学试剂(如喷洒盐溶液)的除冰方法虽可以降低水的凝固点、减少设备表面的积冰,但对环境有害且对金属设备表面有腐蚀作用。

  如何制备出一种高效、节能、环保且适用于高空高寒环境的防冰、除冰涂层成为科学家面临的重要挑战。

  “目前比较前沿的涂层材料往往成本较高,或鲁棒性(Robustness的音译,原意为稳健、强壮)比较差,也就是说不够持久结实,容易被破坏损伤。”研发团队青年教师杨静说,“这些设备可能都在户外环境中,有些还处在比较极端的环境,会遭遇风沙侵袭等,如果涂层的鲁棒性与稳定性不好,就会影响长期除冰的效果。”

  张雷团队另辟蹊径,利用新型两亲性材料结合光热碳纤维,研发出一种利用太阳光产热的“超级涂层”。这种超级涂层融合了可降低冰点的亲水链段PVP、低表面能材料PDMS、可吸收太阳能的光热碳纤维,为防止设备表面不结冰上了“三重保险”。

  张雷解释,设备表面结冰,往往是水先附着在材料的表面而后冻结成冰。“我们使用了亲水链段,它可以束缚水分子,降低水的冰点,相当于延迟了这个过程。”

  低表面能材料PDMS具有很低的附着能力,能降低冰雪附着。就像不粘锅因为有低表面能材料的涂层,所以炒菜的时候能达到不粘的效果一样。

  “我们把亲水链段和低表面能材料融合,制作成为一种新型两亲性涂料。”杨静介绍,这两种材料一个亲水一个疏水,我们都知道亲水材料和疏水材料是不能互相融合的,就像水和油不能融合一样。为此,我们将低表面能疏水链段两端接上亲水链段,形成两亲性嵌段高分子,而后再把这种两亲性高分子“编织”到低表面能材料的交联网络中。由于新链段中有低表面能链段,因此很容易与交联网络融合。亲水链段会迁移到涂层表面,使这种新型涂层同时具备了降低冰点和附着力两种性能。

  而后张雷团队又把这种两亲性高分子材料与纳米碳纤维结合,纳米碳纤维的加入不仅可以吸收太阳光产热除冰,更由于它的疏水性而进一步降低了PDMS基涂层表面的附着力。“新型涂层在太阳光照下,表面温度可以达到46℃。既可以发热融冰,又极大降低了冰附着力,仅依靠风力、重力等自然条件,就能使设备表面的覆冰轻松脱落。”杨静说。

  实验结果表明,这种新型涂层稳定性良好,经过30次的循环抗冰测试,冰附着强度都没有明显的变化。而且可经受酸雨、落沙的冲刷,甚至可耐受200次砂纸摩擦。杨静介绍,由于这种新型涂层利用的都是材料本身固有的物理化学性质,而非依赖涂层表面上制备微结构或涂有润滑油等工艺方法,因此涂层抗冰性能更加稳定,鲁棒性更突出。

  “这种新型涂层利用了创新性的想法和设计,对于涂层的原料配比和制作工艺还有待优化。”张雷介绍,涂层利用的3种材料成本都不高,制作工艺也更适宜于产业化,因此未来实际应用的前景可期,有望成为高空、户外等环境下各类大型设备、精密仪器的“防寒服”。“下一步,我们将致力于开发出更极端、恶劣环境下可以维持抗冰效果的涂层,相关工作正在研究过程中。”

  中国科学院南京地质古生物研究所19日消息,该所王姿晰博士、史恭乐副研究员、舒军武副研究员、硕士研究生尹素心与美国芝加哥植物园的同行合作,在福建发现了1500万年前木乃伊化南酸枣果化石。这也是全球首例具有7个萌发孔的南酸枣属果化石。该项研究成果已发表于国际古植物学专业期刊《古植物学和孢粉学评论》上。

  南酸枣又名五眼果,其果实具有5个萌发孔,有着“五福临门”的寓意。南酸枣的果实在热带雨林中被多种动物食用,种子也被进行多途径传播,其中鹿科动物和犀鸟作为主要的食用和传播者发挥着积极的作用。

  南酸枣的果实是由薄果皮、木质内果皮、可食用的中果皮和果肉组成,在中国南方其果肉常被加工成南酸枣糕,是备受人们喜爱的零食。据考古学证据显示,早在8000多年前,古人就已经开始食用南酸枣,并且喜欢将其果实大量储存起来。

  该研究报道了全球首例具有7个萌发孔的南酸枣属果化石,并建立了新种福建南酸枣。现生南酸枣属仅有南酸枣一种,是东亚特有植物。此次福建南酸枣化石的发现表明:中新世时南酸枣属的形态特征比现代更为多样化。事实上,在渐新世时南酸枣属就已广泛分布于欧亚大陆,但在中新世大暖期之后,该属在欧洲便消失了,东亚地区现也仅存一种南酸枣。

  古植物学和环境考古资料显示,南酸枣属在东亚地区自渐新世以来几乎保存着连续的记录。通过古生态学分析显示,南酸枣属的生态适应范围较广,这个特点可能是该属在东亚地区一直延续至今的一个重要原因。

  生长在玄武岩上的鞘氨醇单胞菌可以浸福建中新世南酸枣果实化石宏观形态(1-3)及微细结构特征(4-6)供图/南京地质古生物研究所

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