原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动2月15日，《科学》（Science）杂志报道了这一研究成果，它为研究液相分子的电子结构提供了一个新的视窗，而这种视窗的时间尺度是以前的X射线所无法达到的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应，这是了解辐照对物体和人的影响的重要一步。这项研究的资深作者、阿贡国家实验室特聘研究员琳达-杨说："我们想研究的辐射诱导的化学反应是目标电子反应的结果，这种反应发生在阿秒时间尺度上。到目前为止，辐射化学家只能分辨皮秒级的事件，比阿秒级慢一百万倍。这有点像说'我出生了，然后我死了'。你想知道这中间发生了什么。这正是我们现在能够做到的。""我们开发的方法允许研究......辐射诱导过程产生的反应物，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的反应物。"阿贡杰出研究员、芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授琳达-杨介绍说。来自美国能源部多个国家实验室以及美国和德国多所大学的多机构科学家小组将实验与理论相结合，实时揭示了X射线源的电离辐射撞击物质时产生的后果。在发生作用的时间尺度上进行研究，将使研究小组能够更深入地理解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初是为了开发必要的工具来了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响而走到一起的。这项研究得到了能源部赞助的放射性环境和材料界面动力学（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，该中心总部设在太平洋西北国家实验室（PNNL）。水样照片：为了记录X射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约1厘米宽的液态水薄片，作为X射线光束的目标。图片来源：EmilyNienhuis太平洋西北国家实验室亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，阿秒的时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上已经度过的秒数还要多。目前的研究以获得2023年诺贝尔物理学奖的新科学--阿秒物理学为基础。阿秒X射线脉冲仅在全球少数几个专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）进行了实验工作，当地团队率先在这里开发了阿秒X射线自由电子激光器。来自SLAC国家加速器实验室的阿戈-马里内利（AgoMarinelli）说："阿秒时间分辨实验是里纳克相干光源的旗舰研发项目之一，"他与詹姆斯-克赖恩（JamesCryan）共同领导了此次实验所使用的一对同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲的开发工作。"看到这些研发成果被应用于新型实验，并将阿秒科学带入新的发展方向，我们感到非常兴奋"。2022年6月，团队成员在SLAC国家加速器实验室里纳相干光源的控制室。从左至右：SLAC的DavidJ.Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的KaiLi、西北太平洋国家实验室IDREAM主任CarolynPearce、SLAC的Ming-FuLin和ANL的ShuaiLi。图片来源：CarolynPearce太平洋西北国家实验室这项研究中开发的技术--液体中的全X射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够"观察"被X射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授杨说："我们现在有了一种工具，原则上可以跟踪电子的运动，实时看到新电离分子的形成。"这些新报告的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构形状或"图案"的结果。这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中两种结构模式的证据。杨说："基本上，人们在以前的实验中看到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有时间移动之前进行了所有的记录，从而消除了这种移动"。研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开端。为了实现这一发现，PNNL的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC的X射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作。在2021年至2022年全球大流行期间，PNNL团队利用在SLAC开发的技术，在X射线泵脉冲路径上喷射出一片超薄的纯水。PNNL的早期职业化学家艾米丽-尼恩胡斯（EmilyNienhuis）说："我们需要一个漂亮、平整、薄的水片，在那里我们可以聚焦X射线。这种能力是在LCLS开发出来的。在PNNL，Nienhuis演示了这种技术也可用于研究IDREAMEFRC核心的特定浓缩溶液，并将在下一阶段的研究中进行调查。"收集到X射线数据后，来自华盛顿大学的理论化学家李晓松和研究生卢立新运用他们解释X射线信号的知识，再现了在SLAC观察到的信号。由理论家罗宾-桑特拉（RobinSantra）领导的CFEL小组建立了液态水对阿秒X射线响应的模型，以验证观测到的信号确实局限于阿秒时间尺度。"利用华盛顿大学的Hyak超级计算机，我们开发出了一种尖端的计算化学技术，能够详细描述水的瞬态高能量子态，"华盛顿大学LarryR.Dalton化学讲座教授、PNNL实验室研究员李说。"这一方法学上的突破在量子层面理解超快化学转化方面取得了举足轻重的进展，其准确性和原子级细节都非常出色。"首席研究员杨发起了这项研究并监督其实施，第一作者和博士后ShuaiLi在现场领导了这项研究。阿贡的物理学家吉勒-杜米（GillesDoumy）和芝加哥大学的研究生李凯（KaiLi）是进行实验和分析数据的团队成员。阿贡纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施，该中心帮助鉴定了水片喷射目标的特性。研究团队一起窥探了液态水中电子的实时运动，而世界上的其他地方却静止不动。杨说："我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的活性物种的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物种。"编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418733.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418733.htm

芝加哥大学科学家在药物发现方面取得创造性突破

芝加哥大学科学家在药物发现方面取得创造性突破化学副教授、两篇论文的资深作者马克-莱文（MarkLevin）说："这是我创办实验室时试图解决的重大挑战问题。我们还没有完全解决它，但我们已经从这个问题上咬出了两大口，这些发现为未来奠定了明确的基础。"在化学中，一个原子就能使分子发生巨大变化。把一个碳原子换成一个氮原子，药物分子与其靶点相互作用的方式就会发生巨大变化。例如，它可能使药物更容易进入大脑，或更不可能在途中抓住错误的蛋白质。因此，当科学家们在创造新的药物时，他们往往想尝试调换一个特定的原子。问题是，这说起来容易做起来难。要构建一个分子必须一步一步地进行。如果走到了尽头，但开始测试时却发现如果只换一个原子，药物的效果可能会更好，那么你就必须回到起点，重新发明整个过程。左起芝加哥大学化学家MarkLevin、JisooWoo和TylerPearson讨论交换分子中氮原子的技术--这是药物发现化学家经常做的改变。图片来源：JuliaDriscoll"这需要进行成本效益分析。值得重新开始吗？"博士后研究员泰勒-皮尔森（TylerPearson）解释说，他是其中一项研究的第一作者。莱文的实验室试图找到新的方法，在不回到起跑线的情况下对分子的骨架进行微小的改变。在这种情况下，他们想找到一种将碳原子换成氮原子的方法--这是一种在药物化学中极为常见的特殊交换。"但现有的方法成功率有限。"另一项研究的第一作者、研究生JisooWoo说："可能会不小心删除分子中错误的碳原子，从而导致分子的其他部分发生偏移。这会对最终分子的工作性能产生巨大影响"。改变一个原子可能非常有用，但同样的原理也有它的反面：如果反应产生了哪怕一个意外的副作用，移动了不同的原子，分子就会变得对其预期目的毫无用处。因此，实验室想出了两种不同的、互补的方法来解决这个问题。移除正确的原子研究生JisooWoo在《自然》（Nature）杂志上发表的一篇论文中概述了一种方法，这种方法适用于结构中附近已经有一个氮原子的分子。新方法利用臭氧裂开原子环，然后利用第一个氮分子"引导"第二个氮分子进入。皮尔逊在《科学》杂志上发表的一篇论文介绍了另一种方法，这种方法适用于还没有氮原子的分子。它可以简单地移除一个碳原子-正确的那个，然后用一个氮原子取而代之。科学家们说，这两种方法都还不够完美。但它们提供了一条前无古人的道路。莱文说，这些技术很有帮助，因为它们更符合人们在开发新药时的思维方式。他说："这有点像用电脑而不是打字机打字。在电脑上打字要容易得多，因为它可以让你按照自己的思维方式写作，而这种思维方式并不总是线性的。"科学家们指出，这两种解决方案都涉及到一些偶然性和发明。莱文说："对我来说，这是一个很好的例子，说明了要想在化学领域取得突破，就需要有创造性。在这两项研究中，我们都遇到了一些突发事件，让我们看到了一些不同寻常的东西，这给了我们一个可以开展工作的立足点"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394427.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394427.htm

比光子本身还薄 科学家发明了已知最小的导光方式

比光子本身还薄科学家发明了已知最小的导光方式芝加哥大学的科学家们发现，一种只有几个原子厚的玻璃晶体可以捕捉和携带光--而且可以用于各种应用。研究报告合著者HanyuHong手持的塑料中央的细线就是这种材料。图片来源：JeanLachat通过一系列创新实验，他和他的团队发现，只有几个原子厚度的玻璃晶体薄片可以捕获并携带光线。不仅如此，它的效率还出奇地高，可以传播相对较远的距离--一厘米，这在基于光的计算领域是非常远的。JiwoongPark教授（左）和科学家HanyuHong（右）在激光实验室，他们在那里确认这种材料可以携带光--尽管它比光本身还要小。图片来源：JeanLachat这项研究最近发表在《科学》（Science）杂志上，展示了本质上的二维光子电路，并可能为新技术开辟道路。这项研究的主要作者、詹姆斯-弗兰克研究所（JamesFranckInstitute）和普利兹克分子工程学院（PritzkerSchoolofMolecularEngineering）化学系教授兼系主任朴智雄（JiwoongPark）说："我们完全惊讶于这种超薄晶体的强大功能；它不仅能保持能量，还能将能量传递到比任何人在类似系统中看到的要远一千倍的地方。被困住的光也表现得像在二维空间中行进一样"。引导光线新发明的系统是一种引导光的方法，被称为波导，本质上是二维的。在测试中，研究人员发现，他们可以使用极其微小的棱镜、透镜和开关来引导光沿着芯片的路径--所有这些都是电路和计算的要素。光子电路已经存在，但它们要大得多，而且是三维的。最关键的是，在现有的波导中，光粒子--即所谓的光子--总是在波导内封闭地传播。科学家们解释说，在这种系统中，玻璃晶体实际上比光子本身还要薄，因此光子的一部分实际上在传播过程中伸出了晶体。JiwoongPark教授（左）和科学家HanyuHong（右）在芝加哥大学Park的实验室里检查这种材料。在测试中，他们可以使用微小的棱镜、透镜和开关来引导光线沿着芯片的路径--所有这些都是电路和计算的要素。图片来源：让-拉查特这就有点像在机场里建造一个传送行李箱的管道与把行李箱放在传送带上的区别。在传送带上，行李箱是露天的，你可以很容易地在途中看到并调整它们。这种方法使得利用玻璃晶体制造复杂设备变得更加容易，因为光线可以通过透镜或棱镜轻松移动。光子还可以体验沿途的状况信息。想想看，检查从室外进来的行李箱，看看外面是否下雪了。同样，科学家们可以想象用这些波导来制造微观层面的传感器。Park解释说："比如说，你有一个液体样本，你想感知是否存在某种特定的分子。你可以这样设计，使波导穿过样品，而该分子的存在将改变光的表现。"科学家们还对构建非常薄的光子电路感兴趣，这种电路可以堆叠在一起，在相同的芯片面积上集成更多的微小器件。他们在这些实验中使用的玻璃晶体是二硫化钼，但其原理也适用于其他材料。科学家们说，虽然理论科学家们已经预测到这种行为应该存在，但在实验室中真正实现这种行为却是一个长达数年的过程。"这是一个极具挑战性但又令人满意的问题，因为我们进入了一个全新的领域。因此，我们所需要的一切都必须自己设计--从材料的生长到测量光是如何移动的，"该论文的共同第一作者、研究生HanyuHong说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385859.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385859.htm

科学家发现金属裂纹可自我修复

科学家发现金属裂纹可自我修复科学家首次目睹了断裂的金属碎片在没有任何人为干预的情况下融合在一起，这一过程推翻了基本的科学理论。如果能将这种新发现的现象加以利用，可能会引发一场工程革命：自我修复的发动机、桥梁和飞机可以逆转磨损造成的损害，从而更安全、更耐用。疲劳损伤是机器磨损并最终损坏的一种方式。反复的应力或运动导致微观裂纹的形成。随着时间推移，这些裂纹会生长和扩散，直至断裂。2013年，时任MIT材料科学与工程系助理教授、现得克萨斯农工大学教授MichaelDemkowicz开始研究传统材料理论。他发表了一项基于计算机模拟结果的新理论，认为在某些条件下，金属应该能够修复由磨损形成的裂纹。最新发现证明Demkowicz的理论是正确的。关于金属自修复过程还有很多未知数，包括它是否会成为制造业中的实用工具。来源，，来自：雷锋频道：@kejiqu群组：@kejiquchat投稿：@kejiqubot

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备

中国科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备二维过渡金属碲化物材料是一类新兴的二维材料，由碲原子（Te）和过渡金属原子（如钼、钨、铌等）组成，其微观结构类似于“三明治”，过渡金属原子被上下两层的碲原子“夹”住，形成层状二维材料。因具有奇特的超导、磁性、催化活性等物理和化学性质，二维过渡金属碲化物材料在量子通讯、催化、储能、光学等领域展现出重要应用潜力，受到了国际学术界的广泛关注。科学家实现二维金属碲化物材料的批量制备（中国科学院大连化学物理研究所供图）“比如，二维过渡金属碲化物具有高导电性和大比表面积，可作为高性能超级电容器和电池的电极材料；同时二维过渡金属碲化物纳米片表面具有丰富可调的活性位点，可用作制备绿氢和双氧水的电催化剂，提高催化剂的选择性、效率和性能；此外，该材料还展现出特有的量子现象，如超导和巨磁电阻等，可作为下一代低功耗器件和高密度磁性存储器件的材料。”论文共同通讯作者、中国科学院大连化物所研究员吴忠帅解释。然而，目前该材料还无法实现高质量的批量制备，阻碍了其实际应用。二维过渡金属碲化物材料一般采用“自上而下”的制备方法，如同拆解积木，通过机械力或化学作用方式将其一层一层剥离下来，从而制备出单层的二维纳米片。常用的“自上而下”方法有化学插层剥离法、球磨法、胶带剥离法、液相超声法等，其中化学插层剥离法的剥离效率虽然最高，但剥离仍需要数小时。批量化可控制备二维过渡金属碲化物纳米片（中国科学院大连化学物理研究所供图）科学家们大多采用有机锂试剂作为插层剂，即将含有锂离子的插层剂插入块体层状结构材料的片层中，并利用锂和水的反应使插层剂“膨胀”，在每一层间形成一个“气压柱”，将叠在一起的纳米片层层“撑开”，就如同使用了一把“化学刮刀”一层一层地将纳米片“刮”下来，这种层间的气体膨胀作用力远大于机械剥离力，可以提高剥离效率。“但是，有机锂是一种易燃易爆的液体试剂，具有很大的安全隐患。因此，实现安全、高效的化学剥离成为科学家努力的目标。”吴忠帅说。此次，科研人员创新性地采用固相化学插层剥离方法，筛选出了一种固相插层试剂——硼氢化锂。硼氢化锂具有强还原性质，在干燥空气中稳定，可用于高温固相插锂反应，解决了插层反应速度慢的问题，从而实现了安全、高效、快速的插层剥离。整个插层剥离过程只需10分钟，可批量制备出百克级（108克）碲化铌纳米片，与液相化学插层剥离法制备量均小于1克相比，此方法的产量提升了两个数量级。值得关注的是，科研人员还利用此方法制备出了五种不同过渡金属的二维过渡金属碲化物纳米片和十二种合金化合物纳米片，证明这种方法具有普适性。“该方法简单、快速、高效，对二维材料的宏量制备具有普适意义。”《自然》审稿人对该方法给予了高度评价。吴忠帅表示，利用该方法制备出的二维过渡金属碲化物纳米片的溶液和粉体具有良好的加工性能，可以作为各种功能性浆料，实现薄膜、丝网印刷器件、3D打印器件、光刻器件的高效和定制化加工等，有望在高性能量子器件、柔性电子、微型超级电容器、电池、催化、电磁屏蔽、复合材料等方向发挥重要作用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426195.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426195.htm

科学家发明独特方法 可以制造更好的分子磁铁

科学家发明独特方法可以制造更好的分子磁铁科学家们开发出一种新方法，利用双配位镧系元素复合物生产出改进型单分子磁体（SMM）。这一进展为高密度存储、量子计算和微型化存储设备带来了潜力。"我们的发现为制造基于分子的新型分子电子材料提供了指导。"MuraleeMurugesu-渥太华大学理学院教授。资料来源：渥太华大学镧系元素离子喜欢用许多有机配体包围自己，以稳定和填充它们的配位层。但由于采用了新颖的配体设计和合成方法，渥太华大学的科学家们不仅成功地分离出了稀有而珍贵的双配位物种，而且有史以来第一次揭示了巨大的能级分离，正如理论所预测的那样。这个复合体是一项合成成就，显示了这些分子令人难以置信的潜力。这项研究是在渥太华大学化学和生物分子科学系进行的，由理学院全职教授穆拉里-穆鲁格苏领导，芬兰奥卢大学的阿克塞利-曼西卡马基教授、渥太华大学博士后研究员迪奥戈-A-加利科（DiogoA.Gálico）和亚历山大-A-基托斯（AlexandrosA.Kitos）以及博士生迪伦-埃鲁拉特（DylanErrulat）和凯蒂-L-M-哈里曼（KatieL.M.Harriman）合作完成。"我们已经展示了非常令人兴奋的结果，首次证实了之前的理论预测，同时也提供了一种合成方法来制造更好的分子磁体。这些磁体对于制造更小、更快的存储设备和量子计算机非常有用，因为它们具有纳米级尺寸和特殊的量子特性，如磁化的量子隧道或量子相干性，"穆鲁格苏教授说。"我们利用CFI资助的设备，在10开尔文以下的超低温条件下测量了复合物的磁性和发光特性。这些测量结果向我们展示了复合物错综复杂的电子结构。我们还与芬兰奥卢大学的Mansikkamäki教授合作，通过计算研究证实了我们的发现。"自2007年以来，渥太华大学的Murugesu小组一直在研究能够在分子水平上存储和处理信息的单分子磁体（SMM）。这种备受期待的材料有望节省能源和空间，使电子产品更快更好，从而改变数据存储方式，开创分子电子产品的新时代。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382619.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382619.htm