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

碳基分子的形状和动态性质与科学家们的想象不同

碳基分子的形状和动态性质与科学家们的想象不同通常情况下，这些"对映体"之间是不可能相互转换的，因为这样做需要打破一个键，这个过程需要太多的能量。来自杜伦大学和约克大学的研究人员证明，如果手性中心是动态分子笼结构的一部分，那么分子笼的简单重新排列就能导致分子的镜像形式的反转。一个由@SciCommStudios制作的动画，显示了氟代巴拉兰及其金属复合物中sp3-C立体化学的动态反转。通过这种方式，通常被认为是固定和刚性的碳基立体化学变得动态、通感和反应性--这是以碳为中心的手性的新范式。这些发现将于今天（2023年3月13日）发表在《自然-化学》杂志上。该分子笼的结构中有九个碳原子，它们被一对碳-碳双键和一个三元环丙烷环固定在一起。这种键的组合使结构中的一些键可以自发地相互交换位置。项目首席研究员，达勒姆大学的AishaBismillah博士说。"我们的动态碳笼极快地改变其形状。它们每秒在其镜像结构之间来回跳动数百万次。看到它们适应环境的变化，确实很了不起。"除了发现这种独特的动态形式的立体化学相互转换外，研究人员还证明了笼子的偏好可以传递给附近的金属中心，这为这种类型的反应性手性可能在催化和生物医学应用的手性分子合成中找到用途提供了可能。约克大学的PaulMcGonigal博士在思考这些结果是如何颠覆既定观念时说。"我们的动态碳笼与其他分子和离子相互作用的方式很吸引人。笼子适应了，给出了具有'最适合'的镜像结构。""我们希望，在适当的时候，这种耐人寻味的键合概念将被发现应用于其他情况，并有可能被用来支撑更多动态分子材料的新应用。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349231.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349231.htm

百万分之一秒：科学家实时观察光化学反应的“过渡状态”

百万分之一秒：科学家实时观察光化学反应的“过渡状态”观察到的光化学"过渡态"结构（中间）的艺术家插图。这种状态持续时间不到百万分之一秒。图片来源：GregStewart提供，SLAC国家加速器实验室科学家们最近利用SLAC的超高速"电子照相机"捕捉到了临界几何图形。结合对反应的量子模拟，研究人员确定临界结构为分子的一端从分子的其余部分弯曲开来。化学家使用本研究中调查的反应，即所谓的电环反应，因为它会产生非常特殊的反应产物。这些产物可以通过伍德沃德-霍夫曼规则预测。这些规则在1981年获得了诺贝尔化学奖，并在每个有机化学家的本科教育中被传授。然而，这些规则并没有详细解答为什么反应只产生特定的反应产物。新成果有助于解决这一悬而未决的问题。此外，它们还为研究人员创建其他类型反应的新规则开辟了道路。这有助于使有机化学成为更强大的工具。电环反应的特点是通过一个临界几何结构同时形成和解离多个化学键。在本项目研究的分子alpha-terpinene中，两个双键和一个单键被转化为三个双键。这些过程的同步性和单一临界构型确保了它们的立体特异性，这一特性使它们成为合成化学的重要工具。立体特异性可以通过著名的伍德沃德-霍夫曼规则来预测。本研究结合超快电子衍射和对α-萜品烯反应动力学的模拟，研究了一种光化学（即光触发）电环开环反应。根据伍德沃德-霍夫曼（Woodward-Hoffmann）规则预测，α-萜烯中反应的立体特异性是通过新出现的链状反应产物的两端以相同的顺时针或逆时针方向相互远离旋转来保证的。新结果表明，立体特异性的根源并不在于运动的确切性质。相反，立体特异性是由以下事实决定的：当分子呈现临界几何形状时，从两个双键到三个双键的变化在很大程度上已经发生。而导致α-萜品烯环打开的单键解离则发生在分子从临界几何形状转变为反应产物的过程中。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389807.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389807.htm

剥开未知化学物质的面纱：科学家们正在寻找另外99%的化学物质

剥开未知化学物质的面纱：科学家们正在寻找另外99%的化学物质这项工作是一项名为"m/q"或"moverq"的计划的一部分--"moverq"是质量除以电荷的缩写，表示科学家在质谱世界中测量化学性质的方法之一。m/q计划负责人托马斯-梅兹说："现在，我们可以从土壤中提取样本，根据土壤类型的不同，一茶匙的样本中可能含有数千种化合物。我们不知道其中大多数化合物的化学结构。我们根本不知道里面有什么"。科学家通常依靠包含数千种分子信息的参考文献库来识别物质。研究人员将土壤、人体或其他地方的样本进行分类，然后将他们通过实验测得的结果与资料库中的结果进行比较。虽然这很有帮助，但却限制了科学家们只能对以前见过的分子进行结构鉴定--例如，通过分析从化学品供应商处购买的标准化合物。亚当-霍勒巴赫（AdamHollerbach）与西北太平洋国家实验室制造的SLIM设备。资料来源：AndreaStarr太平洋西北国家实验室m/q的科学家们正在瞄准尚未被识别的另外99%。科学家亚当-霍勒巴赫（AdamHollerbach）领导的研究小组取得了最新进展，他们将两台高分辨率仪器合二为一，对分子进行了前所未有的详细测定。相关成果于6月12日在线发表在《分析化学》（AnalyticalChemistry）杂志上。现在，科学家们可以在一次实验中对化合物进行多项重要测量，比以前更快、更方便、更准确地获得重要信息。霍勒巴赫的技术适用于离子--带有正电荷或负电荷的分子。这使得它们更容易控制，并有可能使用质谱法进行检测。与研究离子的人一样，离子也有许多不同的特征。对于人来说，体重、发色、大小、形状、眼睛颜色以及许多其他特征都能帮助我们分辨出谁是谁。离子的识别特征包括质量、形状、大小、电荷和化学成分。这些不仅是识别特征，也是相关分子行为的指南--例如，它们治疗疾病或吸附污染物的潜力。这种理解应该有助于PNNL数十名科学家的工作，他们专注于理解微生物对气候的影响。微生物在将碳等元素转化为对地球非常重要的其他形式的过程中发挥着关键作用。它们对地球变暖或变冷的影响是巨大的。但科学家们还有很多东西要学。"一克土壤中可能有数百万种微生物，我们不知道它们中的大多数是谁，也不知道它们在做什么。我们还有很多发现要做，"梅兹说。"从挑战科学的角度来看，这要么是最坏的情况，要么是我们最大的机遇之一，这取决于你如何看待它。"m/q科学家们正在抓住这个机会。他们不是在传统质谱测量所能识别的相对较少的化合物范围内提出问题，而是试图跨越目前的限制，创造一种全新的方法来识别当今未知的物质。这有点像新望远镜投入使用后，能看到几颗截然不同的恒星，而以前只能看到一个模糊的天体大杂烩。这项工作既是实验性的，即在实验室中对分子进行测试，也是在计算机上进行的，科学家们在计算机上对他们所看到的东西进行建模，并预测他们可能会看到的东西。在《分析化学》论文中描述的实验中，霍勒巴赫及其同事对肽和脂质进行了灵敏的测量。实验结合了两种名称相似但提供离子不同细节的仪器。这两种仪器都用于质谱分析，而质谱分析的历史与PNNL科学家的发现交织在一起。第一种仪器是质谱仪，用于测量离子的质量、电荷以及离子的分解方式。在这项研究中，研究小组使用了Thermo-FisherScientific公司开发的Orbitrap质谱仪。这种仪器能很好地分拣不同质量的分子，但两个相同质量的分子却很难分离。想想两个人，一个又高又瘦，另一个又矮又胖，每个人都重达180磅。单从体重秤上看，他们是不可能分开的。SLIM方法：离子迁移率光谱仪带来厚重的结果第二台仪器被称为SLIM：无损离子操作结构。由PNNL科学家RichardD.Smith及其同事创建的SLIM是一种离子迁移率光谱仪，可测量离子的大小和电荷。SLIM只有笔记本电脑大小，厚度仅为四分之一英寸，是一个分子活动的温室。数十条蜿蜒曲折的长路把这个小装置变成了一个42英尺长的分子赛道，电场严格控制的离子在椭圆形障碍赛道上飞驰。这些"障碍"是其他已知的分子，如氦或氮分子。当被研究的离子在SLIM设备中飞驰时，它们会绕过或穿过其他分子，翻滚和转弯，就像橄榄球后卫在对方阻挡者面前跑来跑去一样。离子迁移谱"这一术语真正捕捉到了这一动作。通过记录离子完成整个过程所需的时间--它们是如何巧妙地绕过阻挡的离子--科学家们可以借此了解到有关离子形状和大小的各种信息。这些信息是标准质谱仪无法提供的，它们与离子的质量、电荷和碎片模式等数据结合在一起。这些数据可以得出离子的碰撞截面、分子式和碎裂模式，这些属性对于了解分子结构至关重要。"两个不同的分子可能具有相同的原子数、相同的质量和电荷，但它们的结构和活性可能截然不同。这就是SLIM的作用所在。"只要一个微小的变化，就可能意味着一个分子是疾病的征兆，而另一个则不是。霍勒巴赫实验的关键在于让两种不同的仪器完美配合。虽然标准质谱仪和离子迁移谱仪都分析离子，但它们的工作时间尺度不同。离子通过SLIM到达Orbitrap的速度比处理速度更快。因此，霍勒巴赫借鉴了一种古老的技术，采用了"双门控离子注入"技术。他增加了一些门来控制离子进入系统和到达轨道阱的速度，选择将一些离子从SLIM送出，使其消失，从而使离子流保持在一个可控的速度。霍勒巴赫说："实际上，我们提出的问题非常简单。这是什么，有多少？但我们使用的技术却很复杂。"其他m/q科学家正在研究识别或利用未知分子的其他方法。有些科学家正在创造方法，利用霍勒巴赫实验的数据自动预测离子的结构，这样制药商和其他科学家就能清楚地知道他们正在研究的是什么。还有一些科学家正在研究芬太尼等化合物的数百万种可能形式，从某天可能出现在大街上的化合物中筛选出不可能出现的化合物。然后，他们预测这些化合物在质谱仪中的表现--如果它们真的出现在质谱仪中，就有办法识别它们。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379983.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379983.htm

探索未来的数据存储技术 - 科学家取得超分子化学领域的突破

探索未来的数据存储技术-科学家取得超分子化学领域的突破在大数据和先进的人工智能时代，传统的数据存储方法已显得力不从心。为了满足对大容量和高能效存储解决方案的需求，开发新一代技术至关重要。其中，电阻式随机存取存储器（RRAM）依靠改变电阻水平来存储数据。最近发表在《AngewandteChemie》杂志上的一项研究详细介绍了一个研究小组的工作，他们开创了一种制造超分子忆阻器的方法，而忆阻器是构建纳米随机存取存储器的关键部件之一。忆阻器（memristor，memory-resistor的缩写）会根据施加的电压改变电阻。然而，在分子尺度上构建忆阻器是一项巨大的挑战。虽然可以通过氧化还原反应实现电阻切换，而且分子的带电状态很容易通过溶液中的反离子来稳定，但这种稳定在忆阻器所需的固态结中却很难实现。现在，中国北京清华大学李原领导的研究小组选择了超分子方法。它基于一种双稳态的索烃，这意味着它在氧化态和还原态都很稳定，可以以正电、负电或不带电的状态存在。索烃是由两个大分子环组成的系统，这两个环就像链条中的两个链节一样环环相扣，但没有化学键。为了构建忆阻器，研究小组将索烃沉积在涂有含硫化合物的金电极上，通过静电作用将其结合在一起。在此基础上，他们又放置了第二个电极，该电极由涂有氧化镓的镓铟合金制成。索烃在两个电极之间形成了一个由扁平分子组成的自组装单层。这种被命名为AuTS-S-(CH2)3-SO3-Na+//[2]catenane//Ga2O3/EGaIn的组合形成了忆阻器。正如RRAM所要求的那样。这些新型超分子忆阻器可根据外加电压在高阻态（关）和低阻态（开）之间切换。这些分子电阻开关实现了至少1000次擦除-读取（开）-写入-读取（关）循环。接通和断开之间的切换时间大大小于一毫秒，可与商用无机忆阻器媲美。分子开关可在几分钟内"记住"设定状态-开或关。这使它们成为具有非易失性存储能力的高效分子忆阻器的一个非常有前途的起点。此外，它们还具有二极管或整流器的功能，这使它们成为开发分子纳米忆阻器的有趣元件。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400983.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400983.htm

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