令化学家兴奋的快速探测结构方法

正跨学科思维是电子衍射在有机化学领域发挥潜能的关键。2018年10月中旬,网上发表的两篇论文描述了一种利用电子束快速揭示原子如何排列的技术,可以在几分钟(而非几周)内推断出小有机分子的结构(如药物分子),该技术被称为三维电子衍射技术。了解原子在分子中的排列方式,对于理解物质的功能很有必要。例如,致力于新药开发的化学家会依据这种结构来了解药物作用于身体的机理以及应如何调整药物,使其更有效地与治疗目标结合,减少副作用。     

人造梯形化合物

人造梯形化合物梯形化合物──原子连接成梯状──有着对称而又简单的结构，这种结构可用于研究制造相互作用的原子自旋的电导体甚至超导体。然而，这样排列的分子一直只是理论上的假设，因此需要得到证实。现在，研究人员已经制造出一种由铜、氧和湖原子——高温超导体的...     

科技前沿

<正>科学家成功用金属造出"玻璃"长久以来,材料科学家一直在探索使用纯净的、单原子金属来制造"玻璃"。匹兹堡大学机械工程与材料科学系的研究者完成了这一"壮举"。金属玻璃十分特别,它的结构并不是透明的(因为主体为金属),原子随机排列。这种材料商业用途广泛,因为它具备较高的强度,且制造工艺简单。研究者声称,该发明涉及到一项新技术——在原位投射电子显微镜下进行纳米级冷凝,这一技术是研究取得成功的关键。     

聚芳醚酮晶体的高分辨象

为了从原子或分子水平了解高分子材料的晶体结构,我们利用高分辨电子显微镜对刚性链高分子聚芳醚酮进行研究。得到了聚芳醚酮晶体中分子链堆积的直观物理图象。 高分辨电子显微术既具有直观性又具有微观性特点,近年来这种方法在材料的结构研究方面发挥了巨大作用。对某些材料已得到了原子水平结构象。而高分子材料由于晶体不完整     

有序介孔材料及应用

有序介孔材料是上世纪90年代兴起的新型纳米结构材料,是继微孔沸石分子筛之后的又一类分子筛材料。它一诞生就得到国际物理学、化学与材料学界的高度重视,并迅速发展为跨学科的研究热点之一。有序介孔材料具有蜜蜂窝样的孔道,只有2～50纳米;其孔道是有序排列的,包括层状、六方对称排列和立方对称排列等(见图1);可以让一些有机大分子、生物高分子通过,     

单晶衍射技术在有机太阳能电池受体材料中的应用

有机太阳能电池器件的光电转化效率已超过18%.为了进一步推动其发展,有必要从原子层面上了解材料的堆积信息,来帮助设计和开发性能优异的受体分子.通过单晶X射线技术可观察到的分子在固态下的堆积排列方式和分子间的相互作用力,通常被用来指导设计具有预期物理化学性质的材料.本文主要讨论单晶X射线衍射技术在非富勒烯有机太阳能电池受体中的应用进展,着重强调受体材料结构设计、堆积排列和器件性能之间的关系.此外,我们发现了受体分子"三维网络堆积"的现象,对比了其在A-D-A体系和A-DAD-A体系中的不同,研究了其在氯取代、氟取代、溴取代和三氟甲基取代体系中的特性.对三维网络传输的理解可为高性能材料的设计提供指导,通过单晶分析理解和调整材料的聚集状态和分子间相互作用对开发新型受体具有重要意义.     

奇妙的分子机器

让原子按人的意旨排列分子机器的原理并不复杂,用一句话来说,就是要让原子按人的意旨排列。原子的排列方式从来就是区分贵贱、区别健康和疾病的标记。煤和金刚石都由碳原子组成,只是其排列的方式不同而已,而健康的身体里长出了癌,也是因为原子排列的方式发生了变化!人类在原子排列方面所做的工作历史悠久,从原始社会的凿制石斧到今天,我们不仅能冶炼和加     

具有重复单元的共轭分子的能谱问题

引言 对于具有重复单元的共轭分子的能谱问题,已有很多研究。其中对于单元没有对称面的直链型分子,都只限于重复单元之间只有一根连线的情况。本文将此结果推广到重复单元之间可以是单原子多连的情况,得到了其本征多项式的解析表达式。这类分子具有一些可能的派生结构,例如分别去掉两端的连接原子及分别增加两端的连接原子。对于这些结构,本文     

不含碳原子的类富勒烯分子

迄今为止,所有已知的空心笼状分子多少总含有碳分子。但是最近材料科学家发现了一种不含碳原子的二硫化钨笼状分子。这种无机半导体分子也会卷曲而形成圆柱形或封闭的多面体结构(图1,2)。以色列科学家R.坦纳及其同事已研制成功了长度不足10纳米到100纳米以上的微管,还有各种不同尺寸的笼。因为这种二硫化钨晶体是一个无机笼,它可能有与富勒烯不同的     

纳米科技怎一个“小”字了得

因为小,所以棒对于纳米科学家而言,一个重要的事情是学会在原子的层面上去处理材料,人们可以通过熟练地控制单个的原子和分子制造各类分子机器、先进的纳米电子元器件以及各种“智能”材料。假若这种技术能够得以实现,你将看到许多新奇的东西:能在你指尖上运动的机器人、能自动“缝合”的太空服、先进的太空传感器等等,这些奇幻的纳米产品有些可能需要20年以后才能真正出现,而另一些则已经在今天的实验室中诞生了。纳米科技的神奇之处首先在一个“小”字,因为小,就产生了无穷无尽的技术优势,想想在火星探索中,假若漫游者、勇气和机遇只有甲…     

宝石奇葩

自然环境下形成的矿石，只有具备了美丽、稀少和耐久三大条件，才能谓之宝石。这其中，钻石、玉、祖母绿、红宝石和蓝宝石当属宝石中的精品。钻石钻石（指宝石级的金刚石）被誉为宝石之王。钻石是由有规律重复排列的碳原子组成，碳原子之间的结合及排列情况是导致其各种性质的根本原因。钻石产生于地球的深部。地幔中的碳在约900－1300℃的高温和强大的压力下形成了钻石。今天人们发现的钻石一般形成在约10亿－30亿年前，并因火山喷发而被带至地表。印度人最先在河流中的砂、砾石中发现了钻石。古印度生长着一种奇特的树，这种树每颗树籽的…     

激光束使原子跃迁

表面特性在很多材料应用中是十分重要的。表层原子的排列通常与体中的不同,它可以影响表面吸附其他物质原子的方式。美国宾夕法尼亚大学的研究人员最近已直接观测到铂表面上原子的重排方式。他们用激光束短脉冲加热表面,用场致离子显微镜观察铂样品表层原子的排列。该项研究工作要在呈尖端形的样品周围     

崭露头角的"金属玻璃"

近年来,随着材料工程的开发和研究,在冶金工业中出现了一种崭新的工程材料,叫做“金属玻璃”。它一问世,便在工业生产的各个领域中很快得到广泛应用,显示出了极大的实用价值。我们知道,固体物质一般可分为两大类:一类叫晶体物质,它的原子呈有规则的排列,金属就属于这一类。还有一类叫非晶体物质,它的原子排列是混乱的,没有规则的,常见的玻璃就属于这一类。但科学家研究发现,晶体物质和非晶体物质在一定条件下可以互相转化,成为一种既具有金属的传热、磁性、导电等特性,又有玻璃的坚固、耐腐蚀的新物质,这种新物质就叫做“金属玻璃”。金属之…     

簇状物和十边形──类晶体结构的新规则

典型的晶体中的景象是出名的单调的。一排整齐的原子相隔固定的间距一个接一个地出现。你可以想象这样一个以结构单元堆叠而成的有序固体。一种特定晶体的单元有完全相同的原子结构。用这些晶胞构造晶体很象砌砖筑墙。直到1984年，科学家们认为所有的有序固体都有这样简单、周期性的结构。之后，在位于盖萨斯堡的国家标准和技术学会的一个项目中，以色列技术研究院的丹·谢兹曼（DanShechtman）吃惊地发现，看上去象晶体的铝锰合金不服从晶体结构的一般规则。使这种材料不同于普通晶体的是原子排列间的距离。这种被称为类晶体的物质的原子…     

“小分子机器”量子结构的构造及其物性

低维量子结构的构筑及调控是物理学向小尺度研究方向延伸的核心问题之一.本文重点围绕高鸿钧及合作者在"小分子机器"量子结构的构造及其物性方面开展的研究,系统地介绍了他们在单原子层次上设计、构造和调控的若干小分子机器量子结构.代表性工作有:(1)构筑了四叔丁基酞菁锌((t-Bu)4-Zn Pc)分子在Au(111)表面上"抛锚"的、带有固定偏心轴的单分子转子及其有序阵列,证实了转动行为的可调控性;(2)实现了单个小分子极限尺度(0.6 nm)的可逆电导转变,进而实现了稳定、重复、可逆的超高密度信息存储中的原理性应用;(3)首次直接证实代表性的"分子机器"轮烷(Rotaxane)分子的构型及其电导的可逆转变,澄清了当时化学界的一个争论热点,该热点也是2016年诺贝尔化学奖的主要成果;(4)通过单个H原子的吸脱附实现了酞菁锰(Mn Pc)分子在Au(111)表面Kondo效应的调控,这种单个自旋量子态的可逆控制,实现了极高密度信息存储(40 TB/cm~2)的原理性应用;(5)在通过"原子手术"Mn Pc分子所创制的一种新"功能体系"上发现了朗德g因子在原子尺度上具有的空间分布不均匀性,这是长期以来一直未解决的问题.这些系统工作为单分子发电机/无线电辐射器及纳米电子器件等的构造组装与应用奠定了基础.     

纳米化学

纳米化学ＰｈｉｌｉｐＨ．Ａｂｅｌｓｏｎ著朱湘晓译大多数化学研究涉及原子和分子，但一个在纳米尺度结构中以组分集合方式形成的领域正在出现。其中一些结构是移动单个原子而产生的，另外一些是自我装配的，并可能包含１００万个以上的分子。这些研究涉及生物学中重要问...     

用原子层覆盖法制造材料

世界各国一百多个实验室的科学家们在争先恐后地利用一项可开创新技术领域的工艺,其制造材料的方法极其精细,可一层原子一层原子地制造新材料。这一无比精密的方法称为“分子束晶体附生法(Molecular beam epitaxy)”,大致类似于用原子或分子缓慢地喷涂。科学家们可以用仅有两个原子厚的一层材料涂覆晶体表面,然后再在它上面涂一层     

IBM科学家首次拍到单个分子清晰照片

近日,美国国际商用机器公司(IBM)设在瑞士苏黎世的研究实验室用一种名为"非接触式原子力显微术"的技术,探索了一个分子的内部情况。同时,该实验室的科学家首次拍到单个分子的清晰照片,并看见了把分子结构紧密连在一起的原子键。这些照片展示了分子的最小结构。较暗区域代表原子的密集部     

糖为什么味甜

糖具有甜味,这是人们熟知的事实,但是,糖的甜味是怎样产生的呢?生物化学的分析表明,甜味是与化学作用、电、电荷的相互吸引、分子中原子间的束缚以及质子和电子间不可思议的距离有关。具有甜味的第一个要求是当食物被咀嚼而和唾液混和后,必须能分成一种有特殊结构的分子;这个分子中又必须有一个氢原子被分离出来,并且直接排列在一个不同原子的邻近,而该原子是带有轨道电子的。这就是基本的化学作用。     

CALYPSO结构预测方法

凝聚态物质内部的原子排列方式,即结构,是深入理解其宏观物理和化学性质的重要信息.只根据物质的化学组分从理论上开展物质的结构预测是物理、化学和材料科学长期的期盼,但一直是个巨大挑战.基于结构对称性的分类检索思想,结合粒子群多目标优化算法,引入成键特征矩阵的结构表征方法,提出并发展了卡里普索(CALYPSO)结构预测方法,并在此基础上开发了拥有自主知识产权的同名结构预测软件包.该方法和软件只需给定材料的化学组分和外界条件(如压力),就可以预测材料的基态及亚稳态结构,并可以进行功能材料逆向设计.CALYPSO方法的高效可靠性已经在科研实践中得到了证实.目前该方法已经被广泛应用到三维晶体、二维层状材料和表面、零维的团簇等体系的结构研究领域,成为理论确定材料结构的有效手段.