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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
基于 USWPT 的可隔金属介质的无线充电装置
本实用新型涉及超声波隔金属介质的无线充电技术领域,具体涉及基于 USWPT 的可隔金属介质的 无线充电装置,包括发射单元和接收单元,所述发射单元还包括依次连接的信息调制模块和信号接收器, 所述接收单元还包括依次连接的信息解调模块、开关控制模块、电池信息检测模块和信号发射器。该无 线充电装置通过通信通道和检测模块,可同时进行―一对多‖无线充电,可在工作过程中随时控制负载电 池充电线路的通断,可以通过闭环控制自动维持谐振工作状态的稳定性。自动关断电
武汉大学 2021-04-14
镜像组织研究法:一种本土管理学研究资源的开发思路
本土管理学的发展不仅需要理论创新,也需要研究方法的创新."镜像组织研究法",拥有当前管理学主流实证方法中所不具备的刻画心理活动等特点,运用这一研究方法存在着科学合理性和可行性.
长春大学 2021-04-30
Beeker沉积物原状采样(柱状沉积物)
产品详细介绍Beeker取样器是在水下土壤中静态取样的工具。样本收集到透明管中,这样它就能将材料保持在原位上,可以据此做出清楚的剖面描述。技术参数采样深度:5米 采样管尺寸:直径63×57mm,长度100/150cm配置:包括一个完整的沉积物采样器,不同长度的采样管,活塞,顶部的锤击头和扩展连接杆,一个真空手泵,一个压力手泵,软管绞盘和软管,一个气动排放和分离系统(04.23.SB型),一个工具包,各种附件和铝质装运箱。采样原理在采样前,一个坚硬的切割头安装在采样管底部。一个垫圈安装在采样官顶部。切割头和垫圈用带子紧密连接,采样管被它们夹紧。这种构造可以用在不同长度的采样管上(最大1.5米)。一个橡胶隔膜装在切割头里,可以在一定压力下膨胀并完全关闭切割头,可以保证采样器提起时,样品完好保存。通过使用扩展连接杆和顶部的锤击头,可以将采样器插入到底泥中。通过使用活塞,Beeker采样器可以避免对样品产生压缩的问题。采样前,将活塞装在切割头里。当切割头位于沉积物上时,活塞通过绳子保持在一个固定高度(例如将绳子固定在船的栏杆上)。当采样管下降时,活塞保持静止状态。采样管被推入沉积物中,环绕着活塞。由于摩擦的作用而产生的压缩被部分真空产生反作用抵消。通过Beeker采样器采集的样品压缩率最大只有4-5%,其它的采样系统通常会压缩30%以上。采样管被密封以后,通过使用水-气动排放和分离系统,样品可以再细分成更小的、非破坏性的样品,用来深入研究。取样完成后,取样管密封,通过液压-气压排出和分离设备,样本可再分为更小的静态样本,以备相关的深度分析。全套装置包括:一套完整的沉积物取样工具,各种长度的取样管,活塞,顶杆和加长杆,一个真空/压力泵,真空/压力存储器,带软管的软管卷盘,一个排出/分离设备,一套工具,各种附件,以及一只铝制搬运箱。优点装备完整,并带有详尽手册。土壤剖面和密度保存较好。由于样本的真实直径,周围很少有样本撒出。沉积物的静态取样取样器重量轻,使用简便,所以一天之内可以采集多个样本。有了气压存储器和粗软管连接,取样器非常灵活,用途广泛。取样器可处理各种密度不同的沉积物,从含水很多、没有粘性到松散的沙土,不受土壤分层的影响。用液压-气压排出和分离设备,可轻松控制样本的排出以及/或者分离。标准装置可用于水中最深5米。在某些情况下,使用加长杆,还可在更深处采集样本。注意:随着取样深度的增加,流水中取样会越来越困难
成都耀华科技有限公司 2021-08-23
能够自动脱模的热电单元成形装置
本发明公开了一种能够自动脱模的热电单元成形装置。底座中心开有凹槽,下模冲包括长方体阴模和连接在长方体阴模两侧的顶杆,长方体阴模嵌合在底座的凹槽内并开有腰形通槽,竖直的两个顶杆穿过底座凹槽两侧各自的孔;N型热电臂阴模和P型热电臂阴模并列地安装在下模冲的长方体阴模上,N型热电臂阴模和P型热电臂阴模上方安装有上模冲,上模冲下的两个冲头分别穿过N型热电臂阴模和P型热电臂阴模上的模腔孔。本发明模块化安装的方式,可对需要不同直径大小的热电臂的热电单元进行制造,利用热电臂阴模相贴并列嵌入底座的方法,可使成形后的试样和热电臂平整且朝向规则整齐;并可快速脱模,提高生产效率。
浙江大学 2021-04-11
轨道平顺状态的评定方法及装置
成果描述:本发明提供了轨道平顺状态的评定方法及装置,包括基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程,确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值;计算与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数;对该波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长成分进行加权计算,得到新的轨道不平顺;根据预设的评定方法对新的轨道不平顺进行评定,本发明综合考虑了幅值、波长和空间位置信息的轨道不平顺评定方法,使得对轨道不平顺的分析更准确并且基于本评定方法可制定更具针对性的、科学合理的轨道维修计划和管理办法,可以控制对耦合大系统振动影响较大的轨道不平顺,最终能够保证轨道结构的安全以及列车运行的平稳性和舒适性。市场前景分析:轨道交通基础设施建设领域。与同类成果相比的优势分析:技术先进,性价比较高。
西南交通大学 2021-04-10
防泥水的轮辋驱动装置及汽车
其他成果/n本发明提供一种防泥水的轮辋驱动装置及汽车,所述防泥水的轮辋驱动装置包括电机、轮系支座和轮毂。所述电机具有机壳和动力输出轴。所述轮系支座安装于所述机壳外侧,所述轮系支座设有安装腔,所述安装腔内安装有二级行星齿轮减速器,所述电机的动力输出轴连接于所述二级行星齿轮减速器。所述轮毂凹设形成有容纳腔,所述电机的一端、所述轮系支座、以及所述二级行星齿轮减速器伸入所述容纳腔设置,所述二级行星齿轮减速器连接于所述容纳腔的底壁,所述容纳腔形成有脱泥段,所述脱泥段沿朝向所述电机的方向呈扩大设置。本发明能避免泥水进入二级行星齿轮减速器内而导致二级行星齿轮减速器发生损坏。
武汉轻工大学 2021-04-11
高性能的轮辋驱动装置及汽车
其他成果/n一种高性能的轮辋驱动装置和汽车,所述高性能的轮辋驱动装置包括电机、轮系支座、轮毂和多个连接轴承。所述电机具有机壳和动力输出轴。所述轮系支座安装于所述机壳外侧,所述轮系支座设有安装腔,所述安装腔内安装有二级行星齿轮减速器,所述动力输出轴连接于所述二级行星齿轮减速器。所述轮毂凹设形成有容纳腔,所述机壳、所述轮系支座、以及所述二级行星齿轮减速器均伸入所述容纳腔设置。所述多个连接轴承均连接于所述轮毂的内侧壁和所述轮系支座的外侧壁之间,所述多个连接轴承的其中之一用以沿该所述连接轴承的径向正对轮辋的中心孔的内侧面设置。本发明能降低二级行星齿轮减速器承受的弯矩。
武汉轻工大学 2021-04-11
用于浸没式光刻的浸液温控装置
本发明公开了一种用于浸没式光刻的浸液温控系统,包括:用 于浸液流动的浸液管路,待温控的浸液通过一管路进口进入该浸液管 路,温控处理后的具有稳定温度的浸液通过该浸液管路的出口输出; 用于对所述浸液进行冷却的工艺冷却液回路,工艺冷却液在该回路中 循环流动;以及多个热交换器,其沿流向依次布置,所述浸液管路和 工艺冷却水回路同时流经每个热交换器,并利用各热交换器分别依次 完成工艺冷却液和浸液之间的热交换,从而通过多次换热获得具有稳 定温度的浸液,实现对浸液的温度控制。本发明的装置系统采用内部 回流结构与多级热交换器相结合,实现对浸液温度的多级控制,可以 实现浸没光刻中对浸液稳定的精确稳定的控制,提供温控效率。 
华中科技大学 2021-04-11
一种木瓜的温室种植装置
本实用新型公开了一种木瓜的温室种植装置,属于种植方式领域,其技术方案要点是,包括大棚、钢架和喷水装置,大棚的上部紧密贴合有棚架,棚架的下部固定连接有钢架,钢架的下部固定连接有发热块,大棚的内部固定连接有纵向导水管,大棚的内部固定连接有横向导水管,横向导水管与纵向导水管的连接处贯穿连接有多个喷水装置,喷水装置的外壁套接有伸缩管套,喷水装置的上端固定连接有筛孔喷头,在横向导水管与纵向导水管的连接处设置
青岛农业大学 2021-01-12
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