量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应

量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应然而，莱斯大学理论家彼得-沃林（PeterWolynes）和伊利诺伊大学香槟分校的合作者的最新研究表明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。他们结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具，证明量子信息扰乱发生在化学反应中，几乎可以达到与黑洞相同的量子力学极限。这项研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》上。Wolynes说："这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，即量子信息在分子中的扰乱速度有多快。当人们考虑两个分子结合在一起的反应时，他们认为原子只进行单一的运动，即形成一个键或断开一个键。但从量子力学的角度来看，即使是一个非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样，分子也有大量可能的运动方式--我们称之为量子态。当发生化学反应时，关于反应物量子态的量子信息会变得混乱，我们想知道信息混乱是如何影响反应速率的。"张成浩（左）和SohangKundu。图片来源：BillWiegand/伊利诺伊大学香槟分校提供的张成浩照片；SohangKundu提供的Kundu照片为了更好地理解量子信息是如何在化学反应中被扰乱的，科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具，即时序外相关器（OTOCs）。"OTOC实际上是在55年前的一个非常不同的背景下发明的，当时它们被用来研究超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响，"Wolynes说。"它们是超导理论中使用的一种非常特殊的物体。接下来，物理学家在20世纪90年代研究黑洞和弦理论时也使用了它们。"OTOCs测量的是在某一时刻对量子系统的某一部分进行调整会对其他部分的运动产生多大影响--让人们深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是莱普诺夫指数的量子类似物，莱普诺夫指数用于测量经典混沌系统的不可预测性。伊利诺伊大学香槟分校的化学家马丁-格鲁贝莱（MartinGruebele）是这项研究的合著者之一，他是美国国家科学基金会资助的莱斯-伊利诺伊联合缺陷适应中心（Rice-IllinoisCenterforAdaptingFlawsasFeatures）的成员。他介绍说："化学家对化学反应中的扰动非常矛盾，因为要达到反应目标，扰动是必要的，但它也会扰乱对反应的控制。了解分子在什么情况下会扰乱信息，在什么情况下不会扰乱信息，可以让我们更好地控制反应。了解OTOCs基本上可以让我们设定限制，什么时候这种信息真的会消失，不受我们控制，反之，什么时候我们仍然可以利用它来获得可控的结果。"PeterWolynes（左起）、NancyMakri和MartinGruebele。图片来源：Wolynes的照片由GustavoRaskosky/莱斯大学提供；Makri的照片由NancyMakri提供；Gruebele的照片由FredZwicky/伊利诺伊大学香槟分校提供。在经典力学中，粒子必须具有足够的能量来克服能量障碍才能发生反应。然而，在量子力学中，即使粒子不具备足够的能量，它们也有可能"隧穿"这一障碍。对OTOC的计算表明，在低温条件下，隧穿占主导地位的低活化能化学反应几乎可以在量子极限上扰乱信息，就像黑洞一样。南希-马克里（NancyMakri）也是伊利诺伊香槟分校的化学家，她利用自己开发的路径积分法研究了当简单的化学反应模型嵌入一个更大的系统（可能是大分子自身的振动或溶剂）时会发生什么情况，并倾向于抑制混沌运动。Makri说："在另一项研究中，我们发现大环境往往会让事情变得更有规律，并抑制我们所说的影响。因此，我们计算了与大环境相互作用的隧道系统的OTOC，我们看到的是，扰动被熄灭了--行为发生了很大变化。"研究成果的一个实际应用领域是限制如何利用隧道系统构建量子计算机的量子比特。我们需要尽量减少相互作用的隧道系统之间的信息干扰，以提高量子计算机的可靠性。这项研究还与光驱动反应和先进材料设计有关。Gruebele说："我们有可能将这些想法扩展到这样的过程中：在这样的过程中不会只在一个特定的反应中进行隧穿，而是会有多个隧穿步骤，因为这就是涉及到电子传导的过程，例如，很多新型软量子材料，如用于制造太阳能电池和类似材料的过氧化物。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427285.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427285.htm

量子计算机以千亿亿次的慢镜头揭示化学反应

量子计算机以千亿亿次的慢镜头揭示化学反应VanessaOlayaAgudelo和ChristopheValahu博士在悉尼纳米科学中心用于实验的量子计算机前原子和分子的微观世界非常难以研究，这不仅是因为所有东西都非常小，还因为它们发生的速度远远超过了我们眼睛所能记录的速度。例如，化学键的形成和断裂以飞秒为单位，即四千万亿分之一秒。这使得我们很难准确理解一些关键过程中发生了什么。在这项新研究中，悉尼大学的研究人员使用量子计算机放慢了其中一个超快过程。他们目睹了单个原子在遇到称为锥形交叉点的几何结构时发生的情况，这种结构在光合作用等化学反应中很常见。几十年来，科学家们一直试图直接观察这些过程。研究小组利用困离子量子计算机，将这一问题映射到一个相当小的量子设备上，从而将这一过程放慢了惊人的1000亿倍。这使其达到了现有技术所能观测和测量的速度。这项研究的共同第一作者瓦内萨-奥拉亚-阿古德罗（VanessaOlayaAgudelo）说："在自然界中，整个过程在飞秒内就结束了。我们利用量子计算机建立了一个系统，可以将化学动力学从飞秒级放慢到毫秒级。这使我们能够进行有意义的观察和测量。这在以前是从未有过的。"虽然这听起来可能只是一种模拟，但研究小组表示，它更接近于一种受控环境实验，与观察飞机气流动力学的风洞一脉相承。这项研究的共同第一作者克里斯托夫-瓦拉胡（ChristopheValahu）博士说："我们的实验并不是对这一过程的数字近似--这是对量子动力学以我们可以观察到的速度展开的直接模拟观察。"利用量子计算机进行这类实验可以帮助科学家们更好地理解分子相互作用的快节奏世界，进而推动一系列领域的进步。奥拉亚-阿古德罗说："正是通过了解分子内部和分子之间的这些基本过程，我们才能在材料科学、药物设计或太阳能收集等领域开辟出一片新天地。它还有助于改善其他依赖分子与光相互作用的过程，例如烟雾是如何产生的，臭氧层是如何遭到破坏的。"这项研究发表在《自然-化学》杂志上。研究小组在下面的视频中介绍了这项工作。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380287.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380287.htm

化学反应可以直接为自折式微型折纸装置注入动力

化学反应可以直接为自折式微型折纸装置注入动力康奈尔大学领导的一项合作利用化学反应使微型折纸机自我折叠--将它们从通常运作的液体中解放出来，因此它们可以在干燥环境和室温下运作。这种方法有一天可能会发展出一个微型自主设备群体，能够对其化学环境做出快速反应。该小组的论文《利用超薄催化片的动力学控制的表面状态进行气相微动》于5月1日发表在《美国国家科学院院刊》。该论文的共同主要作者是22岁的博士鲍南琪和22岁的前博士后研究员刘庆坤。该项目由资深作者NicholasAbbott领导，他是康奈尔工程学院RobertF.Smith化学和生物分子工程学院的Tisch大学教授，同时还有物理学教授ItaiCohen和JohnA.Newman物理科学教授PaulMcEuen，他们都在文理学院；以及康奈尔工程学院SamuelB.Eckert工程教授DavidMuller。Abbott说："目前已经有相当好的电能到机械能的转换技术，如电动机，麦克尤恩和科恩小组已经用他们的机器人展示了在微观上实现的策略，但是如果你寻找直接的化学到机械的转换，实际上选择非常少。"之前的努力依赖于只能在极端条件下发生的化学反应，例如在几百摄氏度的高温下，而且反应往往繁琐缓慢--有时长达10分钟--使得这种方法对于日常技术应用不切实际。然而，阿伯特的研究小组在审查一个催化实验的数据时发现了某种漏洞：化学反应途径的一小部分同时包含了慢速和快速步骤。"如果你看一下化学执行器的反应，并不是说它从一种状态直接进入另一种状态。它实际上经历了一次进入弯曲状态的游移，一个曲率，它比两个终端状态中的任何一个都更极端，"Abbott说。"如果你了解催化途径中的基本反应步骤，你可以进入并以外科手术的方式提取出快速步骤。你可以围绕这些快速步骤操作你的化学执行器，而忽略它的其余部分。"研究人员需要合适的材料平台来利用这种快速动能，因此他们求助于McEuen和Cohen，他们曾与Muller合作开发了以钛为盖的超薄铂金片。该小组还与麦迪逊威斯康星大学的ManosMavrikakis教授领导的理论家合作，他们使用电子结构计算来剖析当吸附在材料上的氢气暴露于氧气时发生的化学反应。然后，研究人员能够利用氧气迅速剥离氢气的关键时刻，使原子级薄的材料变形和弯曲，就像一个铰链。该系统以每周期600毫秒的速度启动，可以在20摄氏度--即室温--的干燥环境中运行。这个结果是相当普遍的，我们知道许多催化反应可以被诱发，这些反应是在各种物种的基础上发展起来的。因此，一氧化碳、氮氧化物、氨气：它们都是作为化学驱动执行器的燃料的候选者。该团队预计将该技术应用于其他催化金属，如钯和钯金合金。最终，这项工作可能带来全新的自主材料系统，其中控制电路和机载计算由材料的反应来处理--例如，一个自主化学系统，根据化学成分来调节流量。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1361883.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1361883.htm

一个美国研究团队开发的名为Coscientist的人工智能系统近期首次自主学习了诺贝尔奖级别的化学反应，并成功设计实验步骤，在几

一个美国研究团队开发的名为Coscientist的人工智能系统近期首次自主学习了诺贝尔奖级别的化学反应，并成功设计实验步骤，在几分钟内完成了这一反应。这意味着人工智能未来有望帮助科学家更快、更多地获得科学成果。研究人员表示，人工智能首次规划、设计和执行了人类发明的复杂化学反应。科学研究中存在尝试、失败、学习和改进的反复过程，而人工智能有望大大加速这一过程，因为后者可以全天候“思考”，弥补人类科学家的不足。（新华社）

革命性的人工力诱导反应（AFIR）自动计算可预测周环反应的立体化学性质

革命性的人工力诱导反应（AFIR）自动计算可预测周环反应的立体化学性质AFIR方法仅使用量子化学计算就能追溯到恩迪特里奇C甲酯（一种52个原子的天然产品）的反应及其起始材料。资料来源：TsuyoshiMita等人，《美国化学会杂志》。2022年11月30日对一个分子的立体化学的准确预测，即其组成原子的三维排列对于这种自动反应路径搜索方法来说是前所未有的。这项研究作为概念证明，AFIR方法有可能发现具有特定立体化学性质的新反应。在这项研究中，AFIR被用来计算从产品分子到起始材料的逆合成反应，或反向反应。以前，AFIR被用来预测小型、简单的反应，但准确的立体化学预测是遥不可及的，限制了该技术的适用性。在这项研究中，研究人员克服了这一障碍，将AFIR方法用于称为周环反应的一类主要化学反应，这些反应在生物过程中很常见，包括维生素D的合成。北海道大学WPI-ICReDD的研究团队成员。第一排，从左到右。YuHarabuchi,WataruKanna,HideakiTakano,HirokiHayashi.下排，从左到右。前田聪，三田刚。资料来源：ICReDD周环反应的一个关键特性是，无论反应是在前向还是后向发生，它们都具有相同的立体化学关系。这使得研究小组能够使用为后向反应计算的立体化学来准确预测前向反应的立体化学。值得注意的是，AFIR还能够正确预测打破伍德沃德·霍夫曼规则的反应的立体化学，这些规则通常制约着过环反应的行为。这项技术能够预测这些标准规则的例外情况，表明使用这种自动方法发现可能被忽视的非直觉反应的潜力。使用AFIR方法生成逆合成反应路径网络的一般方案。资料来源：TsuyoshiMita等人，《美国化学会杂志》。2022年11月30日周环反应对于计算工作也是有利的，因为它们是协同的，这意味着所有的断键和造键都发生在同一个步骤中。由于这类反应不经过离子中间体，溶剂分子很难改变反应，研究人员可以在计算中忽略溶剂效应。这样的计算更简单，因此能够处理更复杂的分子。在这项研究中，AFIR成功地处理了多达52个原子的分子，是以前研究中分子大小的2.5倍以上。重要的是，使用AFIR所需要的唯一信息是所需产品分子的结构，因此研究人员可以输入他们想要制造的分子，并有效地实现回退以寻找有希望的起始材料。扩大AFIR的使用范围，使其包括更大的分子和立体特异性过程，为自动发现反应开辟了新的途径。主要作者TsuyoshiMita也被使用自动方法重现具有历史意义的反应的意义所震撼。"伍德沃德-霍夫曼规则建立于20世纪60年代，我认为60年后我们能够使用自动化反应路径搜索方法来预测具有遵循这些规则的立体化学的反应起始材料，这是非常有意义的，"主要作者TsuyoshiMita说。"EndiandricAcidC是由Nicolau在1982年根据Black的生物合成假说合成的，我很高兴在这项工作中我们能够利用量子化学计算重现他们头脑中的东西。我既是一名有机合成化学家，也是AFIR方法的使用者，在这个项目中，我再次感受到了AFIR方法的力量"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1341919.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1341919.htm

厨师熟悉的化学反应如何帮助创造了地球上的生命

厨师熟悉的化学反应如何帮助创造了地球上的生命美拉德反应每年锁住400万吨有机碳过程有助于稳定复杂生命进化的条件.用于使食物褐变并赋予其独特气味和味道的化学过程很可能发生在海洋深处，它帮助创造了生命所需的条件。该过程被称为美拉德反应，以发现该反应的法国科学家命名，该过程将小分子有机碳转化为较大分子，即聚合物。在厨房中，利用美拉德反应从糖中产生风味和香气。利兹大学卡罗琳·皮科克教授领导的一个研究小组认为，在海底，美拉德反应发挥了更根本的作用。具体来说，它有助于提高大气中的氧气含量和减少二氧化碳含量，从而为地球上复杂生命形式的出现和繁衍创造条件。海洋中的有机碳主要来自微生物。当这些生物体死亡时，它们会沉入海底并被细菌吞噬。衰变过程使用氧气并将二氧化碳释放到海洋中，最终进入大气中。科学家认为，近岸环境是大多数有机碳埋藏的地方。图片来源：利兹大学由于美拉德反应，较小的分子转化为较大的分子。这些较大的分子更难被微生物分解，并且可以在沉积物中储存数万年（如果不是数百万年）。科学家们将这种现象描述为“有机碳的保存”。有机碳在海底的长期储存或保存对地球表面的发展状况产生了重大影响。它限制了二氧化碳的释放，让更多的氧气进入地球大气层，并将过去4亿年来地球陆地表面变暖的变化限制在平均约5摄氏度。奥利弗·摩尔博士。图片来源：利兹大学该研究的第一作者、利兹地球与环境学院生物地球化学研究员OliverMoore博士说：“早在1970年代就有人提出美拉德反应可能发生在海洋沉积物中，但该过程人们认为速度太慢，无法影响地球上存在的条件。“我们的实验表明，当海水中存在关键元素，即铁和锰时，反应速率会提高数十倍。在地球漫长的历史中，这可能有助于为复杂生命在地球上栖息创造必要的条件。”作为研究的一部分，科学家们模拟了有多少有机碳因美拉德反应而被锁定在海底。他们估计，每年约有400万吨有机碳被锁在海底。这相当于大约50座伦敦塔桥的重量。为了验证他们的理论，研究人员在实验室中10摄氏度（即海底温度）下观察了简单有机化合物与不同形式的铁和锰混合时发生的变化。分析显示，经过美拉德反应的实验室样本的“化学指纹”与从世界各地海底采集的沉积物样本的“化学指纹”相匹配。这种“指纹”分析是在英国牛津郡的钻石光源进行的，这是英国的同步加速器，它产生强烈的光能光束，以揭示样品的原子结构。DiamondLightSource扫描X射线显微镜光束线(I08-SXM)首席光束线科学家BurkhardKaulich博士表示：“我们先进的I08-SXM仪器具有高稳定性、高能量和光学分辨率，经过开发和优化，可用于帮助探测环境系统中发生的碳化学和反应。我们非常自豪能够为更好地理解地球上复杂生命形式和气候创造所涉及的基本化学过程做出贡献。”来自利兹的皮科克教授说：“发现海洋中由铁和锰制成的活性矿物有助于创造地球上生命进化所需的稳定条件，这是非常令人兴奋的。”从更好地了解地球化学过程中汲取的经验教训可用于利用新方法来应对现代气候变化。伦敦玛丽女王大学环境科学家、该论文的作者之一詹姆斯·布拉德利博士表示：“了解影响沉积在海底的有机碳命运的复杂过程对于查明地球气候如何变化至关重要。响应自然过程和人类活动，并帮助人类更好地管理气候变化，因为碳捕获技术的应用和长期成功依赖于碳以稳定的形式被锁定，而不是转化为二氧化碳。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377171.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377171.htm