揭开摩擦的秘密 突破性研究揭示分子在表面上的行为

揭开摩擦的秘密突破性研究揭示分子在表面上的行为准确把握物体之间的精确接触条件是一项长期挑战，而最近扫描探针显微镜技术的进步使这一壮举成为可能。然而，即使取得了这些技术突破，动态摩擦力--维持分子运动所需的力--的复杂性仍然难以捉摸。科学家们可以通过移动表面上的单个分子来测量静摩擦力，但对动态摩擦力的测量和理论理解仍有待全面揭开。图1：原子层面的动态摩擦。(A)一氧化碳分子在铜表面被金属尖端操纵的示意图。(B)针尖在铜表面水平移动时CO分子吸附状态的变化。针尖与CO之间的相互作用能以不同的线条表示：CO在顶点（黑色曲线）、桥点（红色曲线）和邻近顶点（蓝色曲线）上的吸附状态。随着针尖的移动，CO的实际吸附状态沿着实线变化。不同吸附位点之间的转换（绿色交叉）是了解动态摩擦复杂性的关键。资料来源：美国物理学会突破性研究现在，来自日本金泽大学、西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心和德国雷根斯堡大学的合作团队在《物理评论快报》和《物理评论B》上发表文章，报告了他们深入研究这一难题的突破性研究。他们使用原子力显微镜仔细研究了一氧化碳(CO)分子在单晶铜表面上的操控。在abinitio计算的支持下，他们的研究结果揭示了以下问题：-一氧化碳分子如何相对于显微镜尖端和表面定位。-显微镜尖端引起的分子运动、能量消耗以及静摩擦和动摩擦力之间的关系。这项研究因其对摩擦过程的清晰认识而脱颖而出。它不仅为一个研究已久的现象提供了新的见解，还为今后研究能量耗散弛豫过程铺平了道路。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395469.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395469.htm

纳米波纹石墨烯成为强大的催化剂

纳米波纹石墨烯成为强大的催化剂科学家们发现，石墨烯中的纳米波纹使它成为一种强大的催化剂，尽管它被认为是化学惰性的。他们发表在PNAS上的研究表明，石墨烯表面的纳米级波纹可以加速氢气的分裂，就像最好的金属基催化剂一样，而且这种效应可能存在于所有二维材料中。本周发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的研究表明，表面有纳米级波纹的石墨烯可以加速氢气的分裂，就像最好的金属基催化剂一样。这种意想不到的效果可能存在于所有二维材料中，这些材料本身都是不平坦的。曼彻斯特团队与来自中国和美国的研究人员合作进行了一系列的实验，以证明石墨烯的非平坦性使其成为一种强大的催化剂。首先，利用超灵敏的气流测量和拉曼光谱，他们证明了石墨烯的纳米级波纹与它与分子氢（H2）的化学反应性有关，并且它解离成原子氢（H）的活化能相对较小。顶部有离解氢原子的波纹石墨烯。资料来源：曼彻斯特大学研究小组评估了这种反应性是否足以使该材料成为高效的催化剂。为此，研究人员使用了氢气和氘气（D2）的混合气体，发现石墨烯确实表现为一种强大的催化剂，将氢气和D2转化为HD。这与石墨和其他碳基材料在相同条件下的行为形成了鲜明的对比。气体分析显示，单层石墨烯产生的HD量与已知的氢气催化剂（如氧化锆、氧化镁和铜）大致相同，但石墨烯只需要极少量，不到后者催化剂的100倍。"我们的论文表明，独立的石墨烯与化学性质极其惰性的石墨和原子平坦的石墨烯都有很大不同。"论文第一作者孙鹏展博士说："我们还证明了与石墨烯表面的空位、边缘和其他缺陷等'通常嫌疑人'相比，纳米级的波纹对催化作用更为重要。"论文的第一作者Geim教授补充说："由于热波动和不可避免的局部机械应变，所有原子级薄的晶体都会自然发生纳米波纹，其他二维材料也可能显示出类似的增强反应性。至于石墨烯，我们当然可以期待它在其他反应中具有催化和化学活性，而不仅仅是涉及氢气的反应。""二维材料最常被认为是原子级的平板，由不可避免的纳米级波纹造成的影响至今被忽视。我们的工作表明，这些影响可能是戏剧性的，这对二维材料的使用有重要影响。例如，块状硫化钼和其他茂金属经常被用作三维催化剂。现在我们应该想一想，它们在二维形式下是否会更加活跃"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349743.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349743.htm

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动

研究发现双层石墨烯中的电子像没有质量的粒子一样运动艺术家绘制的天然双层石墨烯中的移动电荷。资料来源：LukasKroll此外，他们还证明，电流可以"开关"，这为开发微小、节能的晶体管提供了可能--就像家里的电灯开关，但却是纳米级的。美国麻省理工学院（MIT）和日本国立材料科学研究所（NIMS）也参与了这项研究。研究成果发表在科学杂志《自然通讯》上。安娜-塞勒博士。图片来源：ChristianEckel石墨烯的特性与挑战石墨烯于2004年被发现，是由单层碳原子组成的。石墨烯具有许多不寻常的特性，其中最著名的是其超高的导电性，这是因为电子在这种材料中以高速、恒定的速度穿行。这一独特的特性让科学家们梦想着利用石墨烯制造速度更快、能效更高的晶体管。所面临的挑战是，要制造出晶体管，需要控制材料在高导电状态之外还具有高绝缘状态。然而，在石墨烯中，载流子速度的这种"切换"并不容易实现。事实上，石墨烯通常没有绝缘状态，这限制了石墨烯作为晶体管的潜力。石墨烯晶体管研究取得突破性进展哥廷根大学的研究小组现在发现，自然形成的双层石墨烯中的两层石墨烯结合了两方面的优点：除了绝缘状态外，这种结构还能支持电子像光一样以惊人的速度运动，就像它们没有质量一样。研究人员发现，通过施加垂直于材料的电场，可以改变这种状况，使双层石墨烯成为绝缘体。托马斯-韦茨教授。资料来源：TWeitz快速移动电子的这一特性早在2009年就已在理论上得到预测，但由于NIMS提供的材料以及与麻省理工学院在理论方面的密切合作，样品质量显著提高，才有可能在实验中发现这一特性。虽然这些实验是在低温条件下进行的--低于冰点约273°--但它们显示了双层石墨烯制造高效晶体管的潜力。"我们早就知道这个理论。但是，现在我们已经进行了实验，实际显示了电子在双层石墨烯中类似光的分散。对于整个团队来说，这是一个非常激动人心的时刻，"哥廷根大学物理系的托马斯-韦茨教授说。哥廷根大学博士后研究员、第一作者AnnaSeiler博士补充说："我们的工作只是迈出了关键的第一步。研究人员下一步将研究双层石墨烯是否真的能改善晶体管，或者研究这种效应在其他技术领域的潜力。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427873.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427873.htm

天然双层石墨烯内发现新奇量子效应

天然双层石墨烯内发现新奇量子效应由德国哥廷根大学领导的一个国际研究团队在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们在对天然双层石墨烯开展的高精度研究中，发现了新奇的量子效应，并从理论上对其进行了解释。这一系统制备简单，为载荷子和不同相之间的相互作用提供了新见解，有助于理解所涉及的过程，促进量子计算机的发展。2004年，两位英国科学家用一种非常简单的实验方法从石墨中剥离出石墨片，并借助特殊胶带得到仅由一层碳原子构成的石墨烯。石墨烯是强度最高的材料之一，具有很好的韧性、超强导热性与导电性，应用前景十分广阔。如果将两层石墨烯彼此以特定的角度偏转，所得到的系统甚至会表现出超导性和其他激发量子效应，如磁性。但迄今为止，很难制备出这种偏转的双层石墨烯。在最新研究中，科学家们使用了天然形成的双层石墨烯。他们首先使用简单的胶带从一块石墨中分离出石墨烯样品。为观察量子力学效应，施加了垂直于样品的高电场。他们发现，所得到系统的电子结构发生了变化，且拥有类似能量的电荷载流子出现强烈的累积效应。研究进一步发现，在略高于绝对零度（-273.15℃）下，石墨烯中的电子可相互作用，出现了各种意想不到且复杂的量子相。如相互作用导致电子自旋对齐，使材料在没有施加外部影响的情况下具有磁性。通过改变电场，研究人员也能不断改变双层石墨烯中载流子相互作用的强度。此外，电子运动的自由度在特定条件下会受限，形成电子晶格，且由于相互排斥作用，不再有助于传输电荷，导致系统对电绝缘。哥廷根大学物理系托马斯·韦茨教授表示，新系统的主要优势之一在于材料制备非常简单，研究人员不需要像以前那样在高温下才能获得所需结果，可用于进一步研究各种量子态及量子计算机等。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305337.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305337.htm

研究发现纳米材料氧化石墨烯可通过肠道微生物组影响免疫系统

研究发现纳米材料氧化石墨烯可通过肠道微生物组影响免疫系统"该论文的通讯作者、瑞典卡罗林斯卡学院环境医学研究所教授BengtFadeel说："这表明我们必须将肠道微生物组纳入我们对纳米材料如何影响免疫系统的理解。研究结果对于确定纳米材料的潜在不利影响以及在新材料中减轻或防止这种影响非常重要。"石墨烯是一种极薄的材料，比人的头发还要薄一百万倍。它由单层碳原子组成，比钢铁更坚固，但又有弹性、透明和导电性。这使得它在众多的应用中极为有用，包括在配备有可穿戴电子设备的"智能"纺织品中，以及作为复合材料的组成部分，以增强现有材料的强度和导电性。随着石墨烯基纳米材料使用的增加，需要研究这些新材料如何影响身体。人们已经知道纳米材料会对免疫系统产生影响，近年来的一些研究表明，它们也会影响肠道微生物组，即胃肠道中自然存在的细菌。纳米材料、肠道微生物组和免疫力之间的关系是本研究使用斑马鱼进行的主题。被调查的纳米材料是氧化石墨烯，它可以被描述为石墨烯的一个相对物，由碳原子和氧原子组成。与石墨烯不同，氧化石墨烯可溶于水，是医学研究的兴趣所在，例如，作为在体内输送药物的一种手段。在这项研究中，研究人员让成年斑马鱼通过水接触氧化石墨烯，并分析了它如何影响微生物组的组成。他们既使用了正常的鱼，也使用了在其肠道细胞中缺乏一种叫做芳烃受体（通常缩写为AhR）的受体分子的鱼，这是一种对各种内源性和细菌性代谢物的受体。"我们能够表明，当我们将鱼暴露在氧化石墨烯中时，肠道微生物组的组成发生了变化，即使是低剂量，AhR也会影响肠道微生物组，"该研究的第一作者、卡罗林斯卡学院环境医学研究所的博士后研究员彭国涛说。研究人员还生成了完全缺乏天然肠道微生物组的斑马鱼幼体，这使得研究个别微生物组成分的影响成为可能，在这种情况下，丁酸（一种脂肪酸），它由某些类型的肠道细菌分泌。众所周知，丁酸能够与AhR结合。这样做，研究人员发现，氧化石墨烯和丁酸的组合在鱼体内产生了所谓的2型免疫力。结果发现，这种效果取决于肠道细胞中AhR的表达。"这种类型的免疫力通常被视为对寄生虫感染的一种反应。"彭国涛说："我们的解释是，肠道免疫反应可以以类似于处理寄生虫的方式处理氧化石墨烯。"使用一种先进的免疫细胞绘图方法，研究人员还能够表明，在斑马鱼幼虫中发现了一种叫做先天淋巴细胞的免疫系统组成部分。这表明斑马鱼是研究免疫系统的一个良好模型，包括原始或先天免疫系统。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336795.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336795.htm

石墨烯神奇之处始于平坦：质子渗透性之谜迎刃而解

石墨烯神奇之处始于平坦：质子渗透性之谜迎刃而解十年前，曼彻斯特大学的科学家们惊奇地发现，石墨烯对质子（氢原子的原子核）具有渗透性。这一意想不到的结果引起了科学界的争论，因为根据已有的理论预测，质子需要数十亿年才能穿过石墨烯密集的晶体结构。因此，有理论认为，质子可能是通过石墨烯上的微小针孔而不是晶格穿越的。今天（8月23日），《自然》杂志报道了质子在石墨烯中传输的超高空间分辨率测量结果，证明完美的石墨烯晶体对质子具有渗透性。令人意想不到的是，质子在晶体的纳米级皱纹和波纹周围被强烈加速。这项研究由PatrickUnwin教授领导的华威大学和MarceloLozada-Hidalgo博士及AndreGeim教授领导的曼彻斯特大学合作完成。这一发现有望加速氢经济的发展。目前用于生成和利用氢气的昂贵催化剂和薄膜有时会对环境造成严重影响，而更可持续的二维晶体可以取代这些催化剂和薄膜，从而减少碳排放，并通过生成绿色氢气实现净零排放。研究小组使用了一种称为扫描电化学细胞显微镜（SECCM）的技术来测量从纳米级区域收集到的微小质子电流。这样，研究人员就能直观地看到质子电流通过石墨烯膜的空间分布。如果质子传输像一些科学家推测的那样是通过孔洞进行的，那么电流就会集中在几个孤立的点上。结果没有发现这样的孤立点，这就排除了石墨烯膜中存在孔洞的可能性。论文的主要作者SegunWahab博士和EnricoDaviddi博士评论说："我们惊讶地发现石墨烯晶体中完全没有缺陷。我们的研究结果提供了石墨烯本质上可渗透质子的微观证明。"意想不到的是，质子电流在晶体纳米级皱纹周围被加速。科学家们发现，这是因为皱纹有效地"拉伸"了石墨烯晶格，从而为质子渗透原始晶格提供了更大的空间。现在，这一观察结果使实验与理论相吻合。洛萨达-伊达尔戈博士说："我们实际上是在拉伸一个原子尺度的网格，并观察到更大的电流通过这个网格中被拉伸的原子间空间，这真是令人难以置信。"Unwin教授评论道："这些结果展示了我们实验室开发的SECCM是一种从微观角度深入了解电化学界面的强大技术，它为设计涉及质子的下一代膜和分离器开辟了令人兴奋的可能性。"作者们对这一发现在实现基于氢的新技术方面的潜力感到非常兴奋。Lozada-Hidalgo博士说："利用二维晶体中波纹和皱纹的催化活性，是加速离子传输和化学反应的一种全新方法。这可能导致氢相关技术的低成本催化剂的开发。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379057.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379057.htm