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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
一种水压变量泵
成果描述:本发明提供了一种水压变量泵,属于水压比例控制技术领域。它能有效地解决水压泵比例流量、压力控制和低压卸荷等问题。采用油压元件和水压元件进行混合设计,通过管路将油压元件和水压元件分别连接,再利用机械连杆结构将两部分连接形成一体,通过电机驱动油压元件控制水压缸,并控制油压作动器使机械机构运动,使水压缸往复运动实现吸水、排水,从而使水压变量泵比例精确控制功能得到实现。主要用于传输介质水压泵和能量传输水压泵结构。市场前景分析:可用于控制技术领域。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
一种装卸助力装置
成果描述:本发明提供了一种装卸助力装置,涉及装卸机械技术领域。机架为H形结构,机架横梁的左、右两端均设有落地立柱,上半部设有与第一滑块配合的垂直滑槽一,下端设有滑轮,垂直滑槽一的中部侧面设有水平滑槽,水平滑槽内设有与其配合的水平方向第二滑块;横梁内侧设有一对带垂直滑槽二的立柱,与垂直滑槽二配合的第三滑块与气弹簧固接;连杆三的一端与垂直方向第一滑块铰接,另一端与连杆一的上端铰接;连杆四的一端与连杆三的中部铰接,连杆的另一端与连杆二的铰接端与水平方向第二滑块铰接,连杆二的另一端与连杆一铰接;连杆一的下端与平板侧面中部铰接;钢绳的一端与平衡器固结,另一端绕过滑轮与垂直方向第一滑块固结。主要用于装卸助力。市场前景分析:装卸、物流技术领域。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
一种开环同步方法
本发明提供一种开环同步方法,包括:获取电网的三相电压ua、ub和uc,对所述三相电压进行Clark变换获得uα和uβ,再经过第一次Park变换,获得第一电压信号和第二电压信号;使用移动平均滤波器滤除所述第一电压信号和第二电压信号中的干扰量,获取第三电压信号和第四电压信号;对第三电压信号和第四电压信号进行第二次Park变换,获得第五电压信号和第六电压信号;根据第一次Park变换的旋转角、第二次park变换的旋转角、第五电压信号和第六电压信号,对所述电网的相角进行检测。本发明提供的方法,结构在任何情况下都能保证稳定,同时实现更快的响应速度和更高的精度。
中国农业大学 2021-04-11
一种按摩乳罩
成果描述:一种按摩乳罩,乳罩包括肩带和背带,在两个乳罩之间、垂直位置接近于上端1/4处,有一个乳罩连接带,其特征是:肩带上有两条肩带连接带,一条位于胸前,一条位于后背肩部位置,每个肩带与背带的接点距离背带在后背的连接处2cm,每个肩带有三个定位圈,位于前胸、肩上和后背;橡筋带位于乳罩外,通过定位圈固定在肩带和乳罩外面;布带连接橡筋带和鞋带。市场前景分析:预期较好
四川大学 2021-04-10
一种水产养殖箱
本实用新型属于水产品养殖器具技术领域,具体涉及一种水产养殖箱。包括箱体,箱体内分为由上到下3‑5个内箱;内箱的门下方设有进水口,上方设有出水口;出水管与净水池上方的进水孔相连,净水池上方设有弧形筛,进水孔设有弧形筛上方;净水池内设有紫外灯,下方设有出水孔,出水孔通过水泵与进水管相连;每个内箱的顶部可拆卸连接有弧形筛,弧形筛安装在出水口的下方;每个内箱的底部设有水草种植层;每个内箱的前壁与其顶部设有2‑5cm的空隙;内箱的侧壁上设有换气头。本实用新型通过设置循环水路,实现各内箱之前的养殖用水循环使用,解决了水质、含氧量、流动性调节功能较差的问题。
青岛农业大学 2021-04-11
一种保温通风窗户
成果描述:本发明公开了一种保温通风窗户,包括面向室内的内层保温玻璃和面向室外的外层保温玻璃,在内层保温玻璃和外层保温玻璃之间间隔的中下部分区域内安装有传热玻璃,传热玻璃与内层保温玻璃的中部和部分构成热交换空间A,余下的间隔构成热交换空间B;所述内层保温玻璃的上部设有出气口A,中下部分区域设有进气口A,所述可传热的玻璃的下部设有出气口C,所述外层保温玻璃的下部设有进气口B和出气口B,出气口B与可传热的玻璃上的出气口C用玻璃管连通。本发明无需借助于其它动力即可实现室内、室外空气的自然流通,并可利用从室内排除的热空气的热量,使室内温度在空气流通过程中不降低。市场前景分析:本发明无需借助于其它动力即可实现室内、室外空气的自然流通,并可利用从室内排除的热空气的热量,使室内温度在空气流通过程中不降低。与同类成果相比的优势分析:国内领先
成都大学 2021-04-10
一种组合随行托盘
一种组合随行托盘,它包括上平板(1)、中间板(2)、定位销(3)、螺钉(4)和下平板(5),所述的上平板 (1)、中间板(2)和下平板(5)从上至下依次排列,在接触面的垂直方向成“工”字结构,上平板(1)、中间 板(2)和下平板(5)相互间通过两个定位销(3)定位,并以多个螺钉(4)紧固连接成为一体。本实用新型采用 组合结构将随行托盘定位基准面与输送基准面分离,定位面无输送滑动磨损,定位基准面精度保持性好, 托盘使用寿命长,切屑灰尘等不容易进入积聚,定位面清洁,定位准确可靠。随行托盘的夹紧与定位插销 方向相同,有利于简化各工位随行托盘定位夹紧装置结构,降低成本。 
南京工程学院 2021-04-11
一种张力控制装置
本实用新型提供了一种张力控制装置,包括收卷部分和开卷部分,开卷部分的负载转矩提供装置为一 永磁同步伺服电机(5),电机(5)的三相交流端与电机侧逆变器(6)的交流端相连,电机侧逆变器(6)的直流 端通过直流母线与电源侧整流逆变器(7)的直流端相连,电源侧整流逆变器(7)的交流端与电网电压相连, 电机侧逆变器(6)和电源侧整流逆变器 (7)各自的开关控制端分别与数字信号处理器(8)的两组PWM脉冲输 出端相连。本实用新型在提高负载转矩和系统张力的控制精度的同时,将永磁同步伺服电机(5)因被收卷辊 (3) 的驱动电机拖动运行而产生的电能回馈给电网,实现了节能,也省掉了现有技术中的冷却系统,降低 了装置成本。
南京工程学院 2021-04-11
一种可拆耳机
本实用新型公开了一种可拆耳机,涉及的是一种耳机。该可拆耳机包括插头、耳麦、连接线,插头(1) 与连接线(5)的一端是活动连接,连接线(5)的另一端与连接器(6)连接,连接器(6)再与耳麦连接。该可拆 耳机完全可拆,各段之间是相互独立,避免了由于一个部件或一点线损坏而使整个耳机报废的情况;并且 可换插头,避免了由于插头的不同而需配备不同耳机的情况;最后,各连接头的连接点数量可根据不同情 况而改变
南京工程学院 2021-04-11
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