二维冰的结构及其生长机制研究进展

水和冰在自然界中广泛存在,冰的结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等众多领域具有至关重要的作用,这些过程往往与微观尺度上水分子与表面或者水分子之间的相互作用相关。受限于之前的研究方法和手段,尽管存在大量的实验和理论研究,冰成核和生长的微观机理却仍旧存在许多争议与疑问。因此,从原子尺度上对冰结构和成核生长过程进行准确的表征和研究具有极为重要的意义。研究者利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)和非接触式原子力显微镜(NC-AFM)联合系统,通过对qPlus针尖进行化学修饰,借助针尖与水分子之间的高阶静电力,成功实现在实空间中对Au(111)表面上的双层二维冰结构的高分辨成像,确认了其"互锁式"氢键构型,并进一步通过对二维冰边界结构的非侵扰式成像,首次观测到二维冰生长过程中边界上的一系列中间态和亚稳态。之后通过结合第一性原理计算和分子动力学模拟,提出了二维冰锯齿状和扶椅状边界的两种生长机制。这在原子尺度上揭示了二维冰成核生长的过程和机理,为研究原子尺度上冰的生长过程提供了一种新途径,并能拓展到广泛的二维材料体系研究中。     

磷酸根修饰的二维DNA晶体的研究

利用可编程的刚性DNA分子瓦(DNA tile)中的双交叉(double-crossover, DX)分子的自组装形成二维DNA晶体, 可将分散的具有光、电、磁性质的分子和纳米粒子单元按照Watson-Crick的碱基配对原则精确自组装, 构成分子(纳米)线路和器件. 报道了用磷酸根修饰一条DNA链的5'端脱氧胞嘧啶核苷酸后, 将此DNA链与其他的21条DNA链在一定条件下自组装, 成功合成了具有特定几何构型的二维磷酸化DNA晶体, 并探讨了二维DNA晶体生长的条件和可能的机理.     

二维过渡金属硫族化合物纳米异质结气体传感器研究进展

二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)在气体传感方向的应用中具有显著的"先天"优势,表现出如灵敏度高、响应速度快、能耗低以及能在室温下工作等诸多优点.相对单一的2D TMDs而言,基于2D TMDs纳米异质结的气体传感器展现出更加优越的气体传感性能.本文将系统总结2D TMDs纳米异质结气体传感器的研究进展,尤其是2D TMDs与金属氧化物、金属硫化物、碳基纳米材料以及量子点之间形成的纳米异质结设计、构效关系以及传感机理等关键科学问题.传感材料和传感机制上的创新对提升传感性能并拓展传感功能具有重要的科学意义.通过对纳米异质结气敏机理的深入探究,有望实现纳米异质结结构的人为设计和可控制备,提高室温下对目标气体的高灵敏选择性识别和检测.在纳米异质结的结构设计上,以TMDs材料为导电主体,在其表面生长各种纳米结构,通过对纳米异质结表面酸碱性、功函数、气体分子极性以及纳米异质结与气体分子之间的氧化还原反应性质进行调控,来构筑基于TMDs的纳米异质结.此外,控制负载在二维TMDs上纳米颗粒尺寸小于两倍电子耗尽层厚度,充分发挥纳米颗粒量子限域效应,以纳米颗粒充当传感的"天线分子"或"探针分子",实现对目标气体分子的高灵敏选择性识别和检测.     

低温冰晶表面臭氧耗损速率

南极上空春季臭氧耗损很显著,形成“臭氧洞”.大气臭氧气相反应过程不能阐述臭氧洞的产生现象,低温下气相反应,无力解释臭氧的快速损耗.Solomon,Rowland等提出大气中非均相反应可能对臭氧的破坏起重要作用.发生非均相反应需要有颗粒物存在,极地上空平流层云的形成提供产生非均相反应的条件.在南极上空冬季和春季有三种类型的极地平流层云,Ⅰ型颗粒物是由三水合硝酸(NAT)组成,形成温度约为197K;Ⅱ型颗粒物主要成分是水,在约187K形成;Ⅲ型平流层云由珠母云组成.在这些颗粒物上发生的非均相反应将使非活性的储库化合物转化为活性氯,由此导致臭氧急剧下降并产生高浓度的C10.因此研究在冰晶上的非均相反应是大气臭氧耗损过程研究的热点课题。 臭氧在冰晶表面的耗损有两种方式:(1)在冰晶表面发生化学反应,破坏臭氧;(2)臭氧在冰晶表面发生吸附作用.当冰晶蒸发后,臭氧又能释放出来.本工作试图测定臭氧在冰晶上的耗损速率,以后再逐步研究所发生的化学过程和吸附过程。     

二维材料气体分离膜及其应用研究进展

二维材料气体分离膜由于其独特的分子输运特性,在渗透率、选择性方面表现出优于传统薄膜的优势,具有巨大的发展潜力.石墨烯类、二维金属有机骨架、二维过渡金属碳化物/碳氮化物等二维材料中存在的亚纳米尺度空间为分子输运提供了特殊的通道,包括纳米孔和纳米通道,它们是高渗透性和高选择性分子筛选的根本原因.然而,二维材料薄膜在复杂工业环境中的不稳定性、难以进行大面积制备等使其实际应用受到了很大的局限,目前二维材料膜尚未大规模应用于工业生产中.本文选择性地对当前研究的热点二维材料气体分离膜研究现状进行总结,同时对其在CO₂捕获和分离、H₂分离和提纯、天然气提氦等领域的具体应用进行阐述,并且探讨了二维材料气体分离膜当前所面临的挑战与未来发展前景.     

贵金属表面上磁性原子结构及其性质概述

有序排列的磁性纳米结构由于其丰富的物理性质和数据存储方面的潜在应用而受到广泛关注.随着现代生长和显微成像技术的进步,构造原子量级的结构和探测它们独特的性质已经成为可能.本文回顾了贵金属表面上的磁性金属原子有序结构的近期研究结果,其中包括一维原子弦、二维六角超晶格和量子尺寸效应诱导的新奇结构.结合低温扫描隧道显微镜、动力学蒙特卡洛模拟等实验和理论相结合的手段,对这些结构的形成条件进行了讨论,并通过扫描隧道谱和紧束缚近似计算对这些结构中的特殊电子态性质进行了研究.此外,纳米尺寸围栏中的量子受限效应对原子扩散和自组织行为有显著的影响,产生了量子诱导的自组织生长,并且可以利用尺寸变化的开口围栏实现原子级的定量原子捕获,从而抑制由生长导致的统计涨落.     

1-壬烷基硫醇稳定的金纳米粒子的二维自组织

报道一种由硫醇稳定的小尺寸金纳米粒子形成的二维六方密堆积有序结构，这种结构是通过将含有金纳米粒子的甲苯溶胶滴在平整基底上而自发形成的。金纳米粒子主要是利用相转移试剂4－辛基溴化铵将金氯酸根离子从水相转移至甲苯有机相中，然后以硼氢化钠作为还原剂将其还原后得到的，在加入还原剂之前，先将一定量的1－壬烷基硫醇加入有机相中作为稳定剂，以此来调控金纳米粒子的成核和生长速度，从而达到制备目标尺寸金纳米粒子的目的。紫外－可见（UV）、红外光谱（IR）和X射线光电子能谱（XPS）表征结果表明了硫酸包裹的金纳米粒子的生成，透射电子显微镜（TEM）表征进一步证实了金纳米粒子的尺寸及由其构成的二维六方密堆积有序结构。     

退火时间对二维DNA晶体自组装的影响

DNA自组装的过程,不仅需要合适的缓冲液,还需要适当的退火时间.本文利用DNA自组装技术,以反向平行双交叉(double-crossover,DX)DNA分子瓦(DNAtile)作为建筑模块,带有互补黏性末端(sticky-ends)的分子瓦依据Watson-Crick碱基互补配对原则配对连接,成功制备出二维晶体结构.比较不同退火时间下形成的DNA分子瓦结构,采用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(non-denaturing PAGE)表征.结果表明,退火时间为2.5h时形成的分子瓦的结构较稳定.等量混合此条件下形成的不同分子瓦,分别从50,37和25℃退火至室温,利用原子力显微镜(AFM)对退火后的结构进行表征,结果表明,起始退火温度为37℃时得到的DNA二维晶体较平整.     

二维过渡金属二硫化物的能带调控

二维过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)因其原子级平坦的表面、可调的能带结构等优势而在光学、电学、热学等领域受到广泛关注,并且为解决传统硅基晶体管尺寸进一步微缩面临的挑战提供了新的机遇.能带工程是调控二维TMDCs材料电子结构并研究其物理学特性的重要手段.本文从本征调控和外部调控两个方面综述了近年来二维TMDCs材料中的能带调控策略,主要包括本征层数调控、零维点缺陷调控(晶格空位构筑、掺杂/合金化)、施加应变、构筑异质结等.在现有研究成果的基础上,对未来的研究方向进行了展望.     

二维分立单原子晶格非线性振动的特性

运用多重尺度方法及准分立近似,求解二维单原子晶格的非线性振动方程,在只考虑最近邻相互作用下,二维单原子晶格的非线性振动特性由二维CNLS(CubicNonlinearSchrodinger)方程描述.具有二维分立孤子拖曳解和颈模型摄动解.     

高湿度环境下衬底表面对牛胰岛素聚集的影响

利用原子力显微镜观察了牛胰岛素(bovine insulin)在高湿度环境下(相对湿度大于90%)、在4 种不同衬底表面上的聚集行为. 在高湿度环境下, 衬底表面会形成一层纳米级水膜, 牛胰岛素分子会在水膜中扩散、迁移、聚集. 原子力显微镜观察表明, 牛胰岛素在不同衬底表面呈现出形式多样的聚集状态: 在MICA 表面形成排列比较规则的纤维; 在APS-MICA表面呈现出较杂乱的聚集状态; 在高温热解石墨(HOPG)表面蛋白分子主要吸附在HOPG 的台阶上, 堆积成高点并沿着台阶呈线状排列; 在OTS-MICA 表面, 部分区域出现团聚, 小部分聚集成纤维状. 这些结果表明: 在高湿度条件下, 不同衬底表面对牛胰岛素的聚集有很大影响, 可以利用不同性质的衬底表面来调制牛胰岛素的聚集.     

利用氢键构筑超分子纳米结构

合成了一个核中心含有6个氮的diquinoxalino(2,3-2′,3′-a,c)- phenazine(DQP)分子, 并在大气条件下用扫描隧道显微镜(STM)研究了它在高定向裂解石墨(HOPG)表面的吸附和组装行为. 利用1,14-十四二酸作为桥成功构筑了二维有序的超分子纳米结构. 结果表明, 利用分子与分子之间的氢键可以来构筑与调控超分子纳米结构.     

单束、多束飞秒激光在CdS, SiC和GaN表面诱导一维和二维纳米周期结构

报道了单光束、双光束和三光束飞秒激光在CdS, GaN, SiC样品上诱导形成周期远小于激光波长的纳米周期结构. 研究表明, 其形成机制不同于入射光与表面散射光干涉的经典机制, 二次谐波的产生可能在其中起着重要作用; 双光束激光干涉在SiC晶体表面诱导形成二维微米-纳米复合周期结构, 干涉花样决定微米长周期结构, 长周期结构的烧蚀斑上形成了短周期的自组织纳米结构. 在上述研究基础上, 初步探索三光束干涉形成二维、三维微米-纳米复合周期结构.     

稳态一维和瞬态二维红外光谱揭示淀粉样β蛋白质片段的多态混存聚集过程

利用傅立叶红外(FTIR)和飞秒二维红外(2D IR)光谱手段,以位于肽链骨架上的酰胺-I带为结构探针,跟踪研究了淀粉样β体1～25氨基酸残基片段(Aβ1～25)在酸性条件下的聚集过程.通过对其在不同聚集阶段的多肽构象及聚集结构动力学的考察,发现在此条件下Aβ1～25片段聚集过程中存在不同聚集程度的聚集体,也存在一定量的无规则卷曲.聚集的初态和终态具有可测量的IR光谱指纹,特别是2D IR光谱指纹,从对角峰的非均匀和均匀展宽贡献、节线取向、非对角峰的布局等方面都能表现出来.讨论了聚集体中酰胺单元之间、多肽质骨架之间及其和溶剂分子之间的动态相互作用.     

纳米固体钼、氮化二钼、钛、氮化钛的DSC分析

纳米固体材料是一种新型的类气体结构固体材料.结构上表现为既无长程有序又无短程有序.其构成通常是由超细颗粒(纳米级颗粒)在保持清洁表面的情况下压制成型,形成块状材料.由于颗粒很小,界面部分所占比例很大(可达20—50%左右).形成固体后,原来颗粒的自由表面成了材料内部的界面.这种结构,使得材料具有许多显著特征和优异性能.从热力学观点来看,这是一种亚稳态结构.     

K2PtCl6/PVP体系四面体形状纳米铂的控制合成

以适量聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为保护剂, 用H2还原K2PtCl6水溶液高选择性(>80%)地合成了四面体形状的纳米铂晶粒(3～8 nm).采用透射电子显微镜(TEM)和紫外可见光谱仪(UV-Vis)研究了合成体系四面体形状纳米铂晶粒的合成过程.合成体系纳米铂胶体吸收光谱数据表明, 纳米铂晶粒的生成经历了由快到慢的转变过程.TEM数据表明, 绝大多数四面体形状纳米铂晶粒不是在成核和快速生长阶段, 而是在小晶粒(<3 nm)的缓慢生长阶段生成.这些结果说明纳米铂的四面体形状很可能是通过晶粒生长中的表面晶面淘汰形成的.     

单/双壁碳纳米管-层状金属氧化物片层交织结构的三维纳米复合材料

将一维的碳纳米管与二维的片层材料组合形成多级有序的三维纳米结构材料, 可获得许多奇特的新性能. 目前将碳纳米管分散在基体中形成了多种复合材料, 发现其力学、电学、磁学、热学以及输运性能都呈现了显著的增强, 但是在基体中均匀地分散碳纳米管往往是材料组装过程中的核心问题. 发展有效可控的一维/二维材料有序组装方法是获得高性能材料的关键. 碳纳米管生长结束后, 在表面活性剂、生物大分子辅助下超声、剪切、搅拌等是其分散常用的方法. 如果能利用碳纳米管生长过程中借助特殊结构的催化剂及工艺对碳纳米管的排列及分散进行原位控制, 这样就有望一步获得碳纳米管高度分散、多级有序、高性能的三维纳米复合材料. .....     

纳米气泡对HOPG表面BSA吸附影响的AFM原位观察

利用原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)原位观察, 发现纳米气泡会影响牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)在疏水表面高序热解石墨(highly ordered pyrolytic graphite, HOPG)表面上的吸附. 在水/HOPG界面BSA分子可以均匀吸附并与纳米气泡共存. 注入乙醇除去纳米气泡后, 在原来纳米气泡的位置上BSA吸附层出现圆形空洞. 空洞的深度约8 nm, 直径在数十纳米. 纳米气泡与相应位置上空洞面积间的相关系数达0.88～0.94, 显示这些空洞确为纳米气泡所致. 另外, BSA分子环绕纳米气泡排列成环状, 说明在水/HOPG界面BSA倾向于吸附在接触线区域.     

九江地区积云冰晶化高度与温度

Hallett在美国佛罗里达地区用飞机穿云,观测积云顶部(-4°—-9℃)的冰粒子,发现新生的猛烈发展中的积云云泡,其中冰粒子一般为低浓度(<0.1个/升);而具有较小的上升速度和衰老的云泡中,冰粒子却有很高的浓度(>10个/升).庐山云雾试验站进行了四年双经纬仪观测,积累了丰富的经验.积云冰晶化高度资料是在浓积云发展成为积雨云过程中取到的,因此,就可以避免梅森在“云物理学”中提到的“云的上部区域的大水滴也能出现一般同冰晶的存在有关的纤维状外貌”.     

冰冻三尺，非一日之寒

“冰冻三尺,非一日之寒”说的是水结成三尺厚的冰（泛指比较厚的冰），不是由于一天的寒冷所致。这句成语比喻某一事态的形成，非一朝一夕之故，而是经过长期酝酿的结果。