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

量子化学的突破：分子首次被捕捉到隧道效应

量子化学的突破：分子首次被捕捉到隧道效应量子力学允许粒子由于其量子力学波的特性而突破能量屏障（墙），发生反应。资料来源：因斯布鲁克大学/哈拉尔-里奇来自因斯布鲁克大学离子物理和应用物理系的RolandWester长期以来一直想探索这一前沿领域。这位实验物理学家说："这需要一个可以进行非常精确测量的实验，并且仍然可以用量子力学来描述。"韦斯特回忆说："这个想法是15年前我在美国的一次会议上与一位同事的谈话中产生的。他想在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧道效应。"由于隧道效应使反应的可能性非常小，因此速度很慢，其实验观察是非常困难的。然而，经过几次尝试，韦斯特的团队现在首次成功地做到了这一点，他们在本期的《自然》杂志上报告了这一点。经过15年的研究取得的突破罗兰-韦斯特的团队选择了宇宙中最简单的元素--氢来进行实验。他们将氘--一种氢的同位素引入一个离子阱后将其冷却，然后用氢气填充该阱。由于温度非常低，带负电荷的氘离子缺乏以常规方式与氢分子反应的能量。然而，在非常罕见的情况下，当两者碰撞时发生了反应。这是由隧道效应引起的："量子力学允许粒子因其量子机械波特性而突破能量障碍，并发生反应，"该研究的第一作者RobertWild解释说。"在我们的实验中，我们给陷阱中可能发生的反应大约15分钟，然后确定形成的氢离子的数量。从它们的数量，我们可以推断出一个反应发生的频率。"2018年，理论物理学家曾计算出，在这个系统中，每千亿次碰撞中只出现一次量子隧道。这与现在在因斯布鲁克测得的结果非常吻合，经过15年的研究，首次证实了化学反应中隧道效应的精确理论模型。为更好地理解奠定基础研究人员认为还有其他可能利用隧道效应的化学反应，现在第一次有了一个在科学理论中也被充分理解的测量，在此基础上，研究可以为化学反应开发更简单的理论模型，并在现在已经成功证明的反应上进行测试。例如，隧道效应被用于扫描隧道显微镜和闪光存储器中。隧道效应也被用来解释原子核的α衰变。通过包括隧道效应，一些星际暗云中的分子的天体化学合成也可以得到解释。因此，韦斯特团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347211.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347211.htm

微软新开发的AutoRXN软件可以以30倍速度模拟化学反应

微软新开发的AutoRXN软件可以以30倍速度模拟化学反应首先，新的工作流程拥有多项自动化功能，使科学家能够更加专注于新产品和方法的开发，而不是陷入预测性化学合成和催化过程所需的手动输入。通过优化该自动化流程所需的代码并使其成为云端原生，研究团队实现了30倍的流程加速和10倍的成本降低。显示探索范围的反应网络视图AutoRXN工作流程的工作原理已被描述为以下方式：AutoRXN工作流程为探索进行了大量相对便宜的量子化学计算，自动完善了由大量昂贵的相关从头计算得到的结果，并自动收集和评估数据--包括通过替代模拟方法对结果进行反向检查。先进的工作流程也大大扩展了化学反应途径，允许成千上万的此类配置发挥作用。此外，这些配置还提供了比以往更多的准确性，从而在更高的产量水平上提供了更多更值得信赖的数字。微软高度重视这种创新，认为利用这种云计算和量子计算能力将为当今世界"看似无法解决的"问题铺平道路。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335151.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335151.htm

科学实验首次寻找到"量子超化学"现象存在的直接证据

科学实验首次寻找到"量子超化学"现象存在的直接证据在量子尺度上会出现各种诡异的行为。原子可以同时以多种状态存在，纠缠在一起，以至于它们可以在任何距离上瞬间共享信息，或者穿越它们本不应该穿越的障碍。科学家们正试图利用这些现象来实现更强大的计算、通信系统和其他技术。现在，一个研究小组首次发现了先前预测的量子效应的直接证据，这种效应被称为超化学效应。它始于一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的奇异物质状态，在这种状态下，一团原子被冷却到几乎绝对零度，使它们进入相同的量子态，并开始表现得像一个大原子。有人提出，哄骗处于这种状态的原子进行化学反应，会产生与通常不同的结果。在经典化学中，混合物中的原子会发生随机碰撞，每次碰撞都有可能使它们连接起来形成分子。但如果原子都处于相同的量子态，它们现在反而会一起行动。这项研究的首席研究员程钦说："不能再把化学反应看作是独立粒子之间的碰撞，这是一个集体过程。所有的粒子都在一起，作为一个整体进行反应"。共同通讯作者张振东（左）和程钦教授与帮助他们首次观察量子超化学的实验室设备在实验中，研究人员将铯原子冷却到所需的极端温度，然后将它们哄骗到相同的量子态。果然，这些原子似乎正在以一种类似超化学的方式形成分子。这一过程有一些不同于普通化学的结果。首先，由于原子是一起作用的，反应发生得更快--系统中的原子越多，反应速度就越快。研究小组说，最终生成的分子都具有相同的状态，这有助于比传统化学更可靠地生成大批量相同的分子。在这一过程中，研究小组还发现了一个奇怪现象的证据--三体相互作用比二体相互作用发生得更频繁。从本质上讲，三个原子会发生碰撞，其中两个原子连接起来形成分子，而第三个原子则以某种方式帮助这一过程。这一突破有助于为量子化学、量子计算和帮助科学家研究物理定律等新技术铺平道路。到目前为止，这项超级化学研究只在双原子分子中进行，但研究小组计划将这项工作扩展到更复杂的分子中。"我们所看到的与理论预测一致，"Chin说。"这是20年来的科学目标，所以这是一个非常激动人心的时代。"这项研究发表在《自然-物理》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375667.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375667.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

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