科学家揭开了富勒烯经典足球形状分子的形成之谜

科学家揭开了富勒烯经典足球形状分子的形成之谜一个国际研究小组利用PSI的瑞士SLS同步辐射光源，成功地观察并了解了宇宙中富勒烯的形成。“我们是星尘，我们是金色的。我们是十亿年前的碳。”在他们在伍德斯托克表演的歌曲中，美国乐队Crosby、Stills、Nash&Young总结了人类的本质组成：星尘。任何对天文学稍有了解的人都可以证实这支美国乐队的话——行星和我们人类实际上都是由燃烧殆尽的超新星产生的尘埃和数十亿年前的碳化合物组成的。宇宙是一个巨大的反应堆，了解这些反应意味着了解宇宙的起源和发展——以及人类从何而来。过去，富勒烯及其衍生物在宇宙中的形成一直是个谜。这些碳分子呈足球、碗或小管的形状，于80年代首次在实验室中被创造出来。2010年，红外太空望远镜斯皮策在行星状星云Tc1中发现了具有足球特征形状的C60分子，称为巴基球。因此，它们是迄今为止已知存在于更远宇宙中的最大分子我们的太阳系。但它们实际上是如何形成的呢？来自火奴鲁鲁、迈阿密和天津的一组研究人员现已完成分子形成的重要反应步骤，并得到PSI和同步加速器真空紫外(VUV)光束线的积极支持光源瑞士SLS。“PSI提供独特的实验设施，这就是我们决定与PSI的PatrickHemberger合作的原因，”来自夏威夷大学檀香山分校的RalfKaiser说，他是该领域的国际领先研究人员。在PSI从事VUV光束线研究的科学家PatrickHemberger建造了一个微型反应器，用于实时观察富勒烯的形成。在1000摄氏度的温度下，在反应器中产生了环烯自由基(C20H9)。这个分子看起来像一个沙拉碗，好像是从C60巴基球上切下来的。这个自由基是高度反应性的。它与乙烯基乙炔(C4H4)发生反应，在碗的边缘沉积一层碳。“通过多次重复这个过程，分子会长成纳米管的端盖。我们已经设法在计算机模拟中证明了这种现象，”佛罗里达国际大学化学教授、该研究的作者之一亚历山大·梅贝尔解释说。但这并不是研究人员的唯一目标：“我们想证明这种反应在物理上是可能的，”RalfKaiser补充道。该反应产生不同的异构体——质量相同但结构略有不同的分子。使用标准质谱法，所有这些变体都会产生相同的信号。但是当使用团队采用的光电子光离子符合光谱法时，结果是不同的。“通过这种技术，测量曲线的结构可以得出关于每个异构体的结论，”PatrickHemberger解释说。RalfKaiser说：“宇宙包含着分子和化学反应的狂野丛林——并不是所有的分子和化学反应都可以在望远镜的信号中被清楚地分类。我们已经从模型中知道宇宙中同时存在环烯和乙烯乙炔。现在可以确认这些分子实际上构成了富勒烯的组成部分。这就是为什么PSI的实验对我们如此有价值。”但在NatureCommunications上的成功发表并不是故事的结局。研究人员希望进行更多实验，以了解经典的巴基球以及具有60个碳原子的足球形富勒烯分子和具有更多原子的微小纳米管是如何在宇宙中形成的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365199.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365199.htm

科学家在聚合物半导体中的新发现：改变非手性聚合物以产生手性结构

科学家在聚合物半导体中的新发现：改变非手性聚合物以产生手性结构伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家们领导的一项新研究为半导体材料的开发带来了新的视角，这种材料可以做到传统硅材料所做不到的事情--利用手性的力量（一种不可叠加的镜像）。手性是自然界用来构建复杂结构的策略之一，DNA双螺旋可能是最著名的例子--由分子"骨架"连接并向右扭曲的两条分子链。在自然界中，手性分子（如蛋白质）通过选择性地传输相同自旋方向的电子，可以非常有效地输送电能。模仿自然界手性的研究几十年来，研究人员一直致力于在合成分子中模仿自然界的手性。由化学与生物分子化学教授刁颖领导的一项新研究调查了对一种名为DPP-T4的非手性聚合物进行各种改性后在聚合物基半导体材料中形成手性螺旋结构的效果。潜在的应用包括像树叶一样发挥作用的太阳能电池、利用电子量子态更高效计算的计算机以及捕捉三维而非二维信息的新型成像技术等。一张光学显微照片显示了一种聚合物的手性液晶相，研究人员正在探索利用这种聚合物生产高效半导体材料。图片来源：YingDiao实验室提供研究结果发表在《美国化学学会中心科学》（ACSCentralScience）杂志上。研究结果和实验Diao说："我们一开始认为，对DPP-T4分子的结构进行细微调整--通过添加或改变与骨架相连的原子来实现--将改变结构的扭转或扭曲，并诱发手性。然而，我们很快发现事情并非如此简单。"利用X射线散射和想象，研究小组发现，他们的"轻微调整"导致了材料相位的重大变化。"我们观察到的是一种金发姑娘效应，"Diao说。"通常情况下，分子会像扭曲的金属丝一样聚集在一起，但突然间，当我们把分子扭转到临界扭力时，它们开始以平板或薄片的形式聚集成新的介相。通过测试这些结构弯曲偏振光的能力--这是对手性的测试--我们惊讶地发现，这些薄片也能扭曲成内聚的手性结构。"研究小组的发现揭示了一个事实，即并非所有聚合物在模仿手性结构中的高效电子传输时都会表现出类似的行为。研究报告指出，至关重要的是，不要忽视为发现未知相而形成的复杂介相结构，这些介相结构可带来前所未有的光学、电子和机械特性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398365.htm

科学家提出新模型 有助于理解分子自组织成生命结构的过程

科学家提出新模型有助于理解分子自组织成生命结构的过程这种缓慢的集群形成似乎与生命出现的速度不符。MPI-DS生命物质物理系的科学家们现在提出了一个替代模型，可以解释这种集群的形成，从而解释形成生命所需的化学反应的快速发生。这项研究的第一作者文森特-瓦赞-雷布尔（VincentOuazan-Reboul）说："为此，我们考虑了不同的分子，在一个简单的新陈代谢循环中，每个物种都会产生下一个物种所需的化学物质。""模型中的唯一要素是分子的催化活性、分子跟随其产生和消耗的化学物质浓度梯度的能力，以及循环中分子顺序的信息，"他继续说。一个新模型描述了参与代谢循环的催化剂的自组织过程。不同种类的催化剂（以不同颜色表示）形成簇群，并能相互追逐。资料来源：MPI-DS/LMP因此，该模型显示了包括各种分子物种在内的催化簇的形成。此外，集群的增长速度呈指数级增长。因此，分子可以快速、大量地组装成动态结构。"此外，参与新陈代谢循环的分子种类数量对所形成的簇的结构起着关键作用，"MPI-DS主任RaminGolestanian总结道："我们的模型提出了大量复杂的自组织方案，并对奇数或偶数参与物种的功能优势做出了具体预测。值得注意的是，我们新提出的方案所需的非互惠相互作用普遍存在于所有代谢循环中。"在另一项研究中，作者发现，在小型代谢网络中集群并不需要自我吸引。相反，网络效应甚至可以使自我排斥的催化剂聚集在一起。由此，研究人员证明了复杂的相互作用可以产生自组织结构的新条件。总之，这两项研究的新发现为复杂生命如何从简单分子中产生的理论增添了另一种机制，并更广泛地揭示了参与代谢网络的催化剂如何形成结构。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375427.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375427.htm

让二氧化碳发挥作用 科学家利用电化学将碳转化为有用的分子

让二氧化碳发挥作用科学家利用电化学将碳转化为有用的分子该团队的论文最近发表在《自然》杂志上。该论文的共同第一作者是中国四川大学的博士后研究员余鹏和张文以及孙国权。由文理学院化学和化学生物学教授宋林领导的康奈尔大学团队以前曾利用电化学过程将简单的碳分子拼接起来，形成复杂的化合物，不需要贵金属或其他催化剂来促进化学反应。在新项目中，他们将目光投向了一个更具体的目标：吡啶，FDA批准的药物中第二普遍的杂环化合物。杂环是有机化合物，其中分子的原子被连接成环状结构，其中至少有一个不是碳。这些结构单元被认为是"药引子"，因为它们经常出现在有药用价值的化合物中。它们也普遍存在于农用化学品中。研究人员的目标是制造羧基化的吡啶，即附加了二氧化碳的吡啶。将二氧化碳引入吡啶环的好处是，它可以改变分子的功能，并有可能帮助它与某些目标结合，如蛋白质。然而，这两个分子并不是天然的伙伴。吡啶是一种反应性分子，而二氧化碳通常是惰性的。该论文的共同第一作者、四川大学的余大刚说："直接将二氧化碳引入吡啶的方法非常少。目前的方法有非常严重的局限性。"宋林的实验室将其在电化学方面的专长与余的小组在有机合成中利用二氧化碳的专长相结合，他们能够成功地创造出羧基吡啶。他说："电化学给了你这种杠杆作用，可以拨出足以激活甚至一些最惰性的分子的电位，这就是我们能够实现这一反应的原因。"该团队的偶然发现是在他们进行电合成的时候出现的。化学家们通常以两种方式之一进行电化学反应：在一个非分割的电化学池中（其中提供电流的阳极和阴极在同一溶液中）或在一个分割的电化学池中（其中阳极和阴极被一个多孔隔板隔开，该隔板阻止大型有机分子但允许离子通过）。一种方法可能比另一种更有效，但它们都产生相同的产品。研究小组发现，通过从分裂的电池切换到不分裂的电池，他们可以选择性地将二氧化碳分子附着在吡啶环的不同位置上，产生两种不同的产品。在未分裂的细胞中产生C4-羧化作用，在分裂的细胞中产生C5-羧化作用。"这是我们第一次发现，仅仅通过简单地改变细胞，也就是我们所说的电化学反应器，就能完全改变产品，"宋林说。"我认为对其发生原因的机理理解将使我们能够继续将同样的策略应用于其他分子，而不仅仅是吡啶，也许还能以这种选择性但可控的方式制造其他分子。我认为这是一个可以推广到其他系统的一般原则。"虽然该项目的二氧化碳利用形式不会解决气候变化的全球挑战，但这是以有用的方式利用过量二氧化碳的一小步。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346465.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346465.htm

科学家发现从工业排放中捕集碳的更好方法

科学家发现从工业排放中捕集碳的更好方法俄勒冈州立大学的研究人员发现，一种被称为金属有机框架（MOF）的具有成本效益的纳米材料，即使在潮湿的条件下也能有效去除工业排放物中的二氧化碳。这种新型MOF由铝和一种普通配位体组成，有望解决碳捕集过程中的一些难题，包括高成本和在潮湿环境中的有效性降低。图片来源：KyriakosStylianou提供，OSU科学学院。二氧化碳是一种温室气体，由燃烧化石燃料产生，是气候变暖的主要原因之一。Stylianou指出，过滤空气中碳的设施开始在全球兴起--世界上最大的过滤设施将于2021年在冰岛投入使用--但它们还不足以对全球的排放问题产生重大影响。冰岛发电厂一年的二氧化碳排放量相当于大约800辆汽车的年排放量。不过，在工厂等进入大气层的地方减缓二氧化碳排放的技术相对来说已经发展得很成熟。其中一项技术涉及被称为金属有机框架（MOFs）的纳米材料，这种材料可以在烟气通过烟囱时通过吸附作用拦截二氧化碳分子。化学助理教授Stylianou说："二氧化碳的捕获对于实现净零排放目标至关重要。由于多孔性和结构的多样性，MOFs在碳捕集方面展现出了广阔的前景，但合成MOFs通常意味着要使用重金属盐和有毒溶剂等在经济和环境方面都很昂贵的试剂。"他说，此外，处理烟囱气体中的水份也使二氧化碳的去除变得非常复杂。许多已显示出碳捕集潜力的MOF在潮湿条件下失去了功效。烟道气可以进行干燥处理，但这会大大增加二氧化碳去除过程的成本，足以使其在工业应用中失去可行性。因此，我们试图利用MOF来解决目前用于碳捕集的材料的各种局限性：成本高、对二氧化碳的选择性差、在潮湿条件下稳定性低以及二氧化碳吸收能力低。MOFs是一种结晶多孔材料，由带正电荷的金属离子和被称为配体的有机"连接"分子组成。金属离子形成节点，与连接体的臂结合在一起，形成类似笼子的重复结构；该结构具有纳米级孔隙，可以吸附气体，类似于海绵。MOF可由多种成分设计而成，这些成分决定了MOF的特性。化学研究人员已经合成了近10万种MOF，并对另外50万种MOF的特性进行了预测。"在这项研究中，我们引入了一种由铝和一种容易获得的配体（苯-1,2,4,5-四羧酸）组成的MOF，"Stylianou说。"MOF在水中合成，只需几个小时。MOF具有与二氧化碳分子大小相当的孔隙，这意味着有一个密闭的空间可以囚禁二氧化碳。MOF在潮湿的条件下也能很好地工作，而且更喜欢二氧化碳而不是氮气，这一点非常重要，因为氮氧化物是烟道气的一种成分。如果没有这种选择性，MOF就有可能与错误的分子结合。"这种MOF是湿法燃烧后碳捕集应用的理想候选材料，它成本低廉，分离性能优异，可以再生和重复使用至少三次，且吸收能力相当。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377049.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377049.htm

突破手性结构的极限：科学家首次控制纳米颗粒的扭曲度

突破手性结构的极限：科学家首次控制纳米颗粒的扭曲度虽然生物学中充满了像DNA这样的扭曲结构，被称为手性结构，但扭曲的程度是被锁定的--试图改变它就会破坏结构。现在，研究人员可以对扭曲的程度进行设计。这种材料可以使机器人准确地浏览复杂的人类环境。扭曲的结构将在从表面反射的光波的形状中编码信息，而不是在构成大多数人类阅读标志的二维符号排列中编码。这将利用人类几乎无法感知的光的一个方面，即所谓的偏振。扭曲的纳米结构会优先反射某些类型的圆偏振光，这种形状的光在空间中移动时会发生扭曲。彩色电子显微镜图像中带有糖果包装纸扭曲的微米级蝴蝶结。控制卷曲的纳米结构材料的扭曲程度的能力可能是化学和机器视觉中的一个有用的新工具。"这基本上就像甲壳类动物的偏振视觉，"领导这项研究的欧文-朗缪尔大学化学科学与工程杰出教授尼古拉斯-科托夫说。"尽管环境很阴暗，但它们还是能接收到大量的信息。"机器人可以读取在人眼里看起来像白点的标志；信息将被编码在反射的频率组合中，扭曲的松紧度，以及扭曲是左手还是右手。通过避免使用自然光和环境光，而依靠机器人产生的圆偏振光，无论是在明亮还是黑暗的环境中，机器人都不太可能错过或误解一个提示。能够选择性地反射扭曲光线的材料，被称为手性超材料，通常很难制造，但领结却不是。不同生长条件的阵列，从只用左手胱氨酸制成的左旋扭结，到用50-50混合制成的平底煎饼，再到只用右手胱氨酸制成的右手扭结。控制卷曲的纳米结构材料的扭曲程度的能力可能是化学和机器视觉的一个有用的新工具。资料来源：PrashantKumar，密歇根大学Kotov实验室。"以前，手性元表面的制作非常困难，需要使用价值数百万美元的设备。现在，这些具有多种诱人用途的复杂表面可以像照片一样被打印出来，"Kotov说。扭曲的纳米结构也可能有助于创造正确的条件来生产手性药物，而用正确的分子扭曲来制造手性药物是具有挑战性的。"以前在任何手性系统中没有看到的是，我们可以控制从完全扭曲的左手结构到平坦的煎饼再到完全扭曲的右手结构的扭曲度。我们把这称为手性连续体，"PrashantKumar说，他是U-M化学工程的博士后研究员，也是《自然》杂志上这项研究的第一作者。Kumar将这些领结作为一种涂料进行了测试，将它们与聚丙烯酸混合，并将它们点在玻璃、织物、塑料和其他材料上。用激光进行的实验表明，这种涂料只有在光线的扭曲度与领结形状的扭曲度相匹配时才会反射扭曲的光线。蝴蝶结是由金属镉和胱氨酸混合而成的，胱氨酸是一种蛋白质片段，有左手和右手之分，在水中加入碱液。如果胱氨酸都是左手的，就会形成左手的领结，而右手的胱氨酸则产生右手的领结--每个都有一个糖果包装的扭曲。但在左手和右手胱氨酸的不同比例下，研究小组做出了中间的扭曲，包括在50-50比例下的平底煎饼。最紧的蝴蝶结的间距，基本上是360度转弯的长度，大约是4微米长--在红外光的波长范围内。"我们不仅知道从原子尺度一直到微米尺度的领结的进展，我们也有理论和实验向我们展示指导力量。有了这种基本的理解，你就可以设计出一堆其他的粒子，"ThiVo说，他是U-M化学工程的前博士后研究员。他与该研究的共同通讯作者、马里兰大学化学工程系主任SharonGlotzer合作。与其他手性纳米结构相比，这些领结可能需要几天的时间来自我组装，而这些领结只需90秒就能形成。该研究小组在领结光谱中产生了5000种不同的形状。在模拟分析之前，他们在阿贡国家实验室用X射线研究了这些形状的原子细节。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357513.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357513.htm