液态GaAs快速结晶过程中的微观结构演变

采用分子动力学方法对液态Ga As在1×10~(10) K/s冷速下的快速结晶过程进行模拟,并采用双体分布函数、原子平均能量、键角分布函数、二面角分布函数和可视化等方法对凝固过程的微观结构变化进行分析.结果表明:凝固过程中,Ga As的结晶温度T_c为1460 K,当温度高于T_c时,体系处于液态无规网络结构;当温度低于T_c时,Ga和As原子迅速形核结晶,形成闪锌矿为主的多晶结构,并在晶界处形成共晶格孪晶结构,其中晶界处形成一层纤锌矿结构.在温度低于520 K时,As原子偏聚形成简单立方结构As_8.     

CVD制备SiOx纳米线的各个生长阶段的直接实验证据

在纳米线的制备中, 气-液-固(VLS)生长机制得到了人们的广泛认可, 但该机制的很多细节还停留在模型阶段. 依托实验室自行设计的一台生长条件高度可控的高温化学气相沉积(CVD)系统, 采用较为简便的方法, 直接在Si片衬底上制备出了SiO_x纳米线. 通过严格控制实验参数, 用离位观测捕捉到了纳米线的催化、形核和长大的一系列过程及其相关细节, 并发现纳米线从细到粗的气-液-固(VLS)生长机制. 讨论了气-液-固(VLS)机制中气态Si原子的来源以及纳米线的催化、形核和长大过程中的纳米曲率效应和“纳米熟化”现象, 取得了对SiO_x纳米线VLS催化生长机制的理解的突破.     

原子力显微镜研究高聚物结晶的最新进展

对高分子结晶过程的研究是高分子物理研究的一个重要方向,球晶是高聚物最典型的结晶形态之一,高聚物球晶的形成过程一般被描述为:（1）具有相似构象的高分子链段聚集在一起形成一个稳定的原始核（primary nuclei）;（2）随着更多的高分子链段排列到核的晶格中,核逐渐发展成一个片晶;（3）片晶不断生长,同时诱导成核（induced nuclei）出现并逐     

高氧化态钼簇合物的电子结构和化学键——多中心d-pπ键的存在和性质

本文通过对一系列二至六核高氧化态钼簇合物电子结构的计算和分子轨道分析,提出了该类型钼簇中存在多中心d-pπ这一新化学键形式的观点;导出了半定量计算d-pπ作用能的群轨道角重迭公式;讨论了该公式中的d_M~G轨道空穴数,桥原子能级(或电负性)和几何环境等因素与桥键强度、键长、键角及Mo-Mo'键强度的关系.     

氧空位TiO2高效光催化氧化甲醛及其反应路径

通过采用一步煅烧法制备得到含大量表面氧空位的二氧化钛(TiO_2),将其应用于典型空气污染物甲醛的治理.结果表明,在流动体系的测试环境中,甲醛的最大有效去除率可达95.05%,相比于本底样品(72.52%)提高了1.31倍.研究表明,含氧空位的TiO_2不仅可以增强光吸收范围,还可以利用氧空位捕获光生电子,有效地抑制光生电子和空穴的复合,进而提高光催化活性.通过原位红外光谱对催化剂降解甲醛的反应过程进行实时动态监测,结合密度泛函理论(DFT)计算,表明TiO_2表面的氧空位可以有效地增强甲醛分子的吸附活化,存在的大量离域电子可以注入到甲醛分子中的C=O键并使其活化断裂,从而有效地减少甲醛氧化过程中甲酸的积累,加快甲醛的高效氧化去除.本研究通过分析含氧空位TiO_2对光催化甲醛氧化反应过程的影响,为光催化材料表面缺陷设计和光催化治理气相污染物提供了新的思路.     

柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化特性

建立了描述柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化的H2SO4-H2O二元均相成核和气溶胶动力学耦合模型.利用该模型模拟计算H2SO4-H2O二元均相成核作用下分子团簇的生成率和团簇粒径等参数,以及分子团簇向挥发性纳米颗粒转化过程的气溶胶动力学作用;并考察了燃料硫含量和实验室内稀释采样条件变化对柴油机排气中挥发性纳米颗粒数浓度粒径分布的影响.研究表明:H2SO4-H2O二元均相成核作用产生大量分子团簇,燃料硫、温度、湿度对分子团簇的生成率和团簇粒径产生显著影响.凝并作用使成核作用产生的分子团簇由单分散系向多分散系转化,形成挥发性纳米颗粒;凝结作用进一步促进颗粒向大粒子方向迁移,排气中碳烟粒子会抑制挥发性纳米颗粒的形成;燃料硫含量和稀释参数(初级通道内混合气稀释比、温/湿度和停留时间)等均显著影响挥发性纳米颗粒的数浓度粒径分布.     

微孔晶体的晶化

从宏观和微观角度简要总结了微孔晶体晶化过程及晶化机理的研究,包括微孔晶体的成核与晶体生长(宏观角度)、晶化机理的主要观点、结构导向效应、研究微孔晶体晶化的主要技术手段及最新的研究思路和策略(微观角度).借鉴于致密晶体晶化行为的研究,微孔晶体的晶化过程分为成核与晶体生长两个阶段.在成核阶段,提出了晶核可以从液相(液相成核)、固相(固相成核)或固液相(双相成核)中成核,后被统一为"通用"成核机制.在晶体生长阶段,研究主要集中于生长模式.受制于当前较低分辨率和灵敏度的表征手段以及合成体系的复杂度,人们对晶体的成核与生长机制的认识还存在着极大的争议.在微孔晶体的晶化过程及晶化机理研究中,一项重要的内容是通过特定的表征手段确认在晶化过程中生成的小结构单元,包括色谱、电喷雾质谱、原位和非原位核磁共振、紫外拉曼光谱等.结合实验数据和理论计算可以确定一些单靠实验数据不能确认的结构单元.在微孔晶体的晶化过程中,结构导向剂起到了极其关键的作用.本文简要总结了结构导向剂的种类和导向的典型结构.最后介绍了新近提出的"反向进化"法,该方法可用于研究在晶化的早期阶段生成的小结构单元及晶化起点的结构.     

路径积分分子动力学模拟在相变问题中的应用

依据玻恩-奥本海默近似,理论模拟分子与凝聚态体系材料的性质,需要人们对电子结构和原子核运动两个层面的内容都进行尽量准确描述.目前,电子结构的计算已相对成熟,很多情况下密度泛函理论、传统量化或量子蒙特卡洛方法都能在量子力学的层面给出相当精准的结果;但就原子核运动的描述而言,绝大部分理论方法却还依赖于经典力学.越来越多的实验和理论工作表明,在很多材料的相变过程中,原子核的量子属性可能对相变行为产生重要的影响.将路径积分分子动力学方法与两相法、自由能计算等分子模拟方法结合,可以有效地处理相变问题中的核量子效应,进而对材料的相变行为进行准确地描述.本文将结合两个具体的例子,简要介绍近几年我们在该研究方向的一些工作进展.     

由极稀释的抗血清抗免疫球蛋白E触发的人嗜碱细胞脱粒

当人多形核嗜碱细胞(一种表面具有免疫球蛋白E(IgE)的抗体的白细胞)置于抗IgE抗体时,它们从细胞内以粒状释放出组胺并改变了自身的染色特性。后者能在稀释度为1×10~2～1×10~(120)的抗IgE稀释液中得到证实。在上述稀释范围内,尽管有意识地使极释稀液中缺失抗IgE分子,嗜碱细胞却仍然有40～     

水溶液势对丙氨酸电子结构影响的模拟

使用基于密度泛涵理论的第一性原理计算方法, 模拟了水溶液对丙氨酸电子结构的影响并构造了偶极子等效势. 计算过程分为三步: 首先用“自由团簇计算法”计算了丙氨酸和水分子系统总能量最低的几何位形; 然后基于这一位形, 再由“团簇埋入自洽计算法”得到了水分子外势下丙氨酸的电子结构; 最后用偶极子代替水分子, 并重新计算了丙氨酸的电子结构. 在第三步工作中通过调节偶极子使得丙氨酸电子结构与第二步中水分子外势下的电子结构尽可能地接近. 计算结果表明, 水溶液对丙氨酸电子结构的影响主要是使来自甲基的电子态升高了约0.14 Ry, 使其余各电子态升高了约0.059 Ry, 并使费米面上能隙变宽25%. 偶极子势较好地模拟了水溶液对丙氨酸电子结构的影响. 这将会有效地减少以后的计算量.     

HFC-134a致冷剂气体水合物结晶生成过程及RIN模型

通过对致冷剂HFC－134a气体水合物的结晶生成过程的宏观观测，结合Mori的微观观测图片，认为水合物是通过局部随机成核的，由已成核部分诱导临近区域而扩展至整个两相接触界面，提出随机诱导成核（random inducement nucleation)模型，呈现了计算机模拟结果，并研究了模型中的参数对生长维数的影响。     

令人憧憬的纳米医学时代

奇妙的微型世界 由20世纪福克斯公司根据1966年科幻电影《神奇旅程》翻拍成的3D版影片,讲述了一艘微型潜艇在人体中的旅行.虽然这种冒险在2013年还不能实现,不过,基于原子和分子尺度的纳米医学正在快速发展.在新的一年中,这一领域不仅会保持创新和发现的态势,也将出现更有疗效的诊断和成像手段.这些创新将包括:用少量分子检测出疾病:以接近分子分辨率实现医学成像;发现病变组织并定点传送药物的靶向治疗.     

InGaAs晶体固-液相变过程中的拓扑结构的演变机制

采用分子动力学模拟InGaAs晶体固-液相变过程,并运用径向分布函数、键角分布函数、配位数统计及可视化等方法,从微观结构的不同层面分析了固-液相变过程的结构演变.结果表明:对于InGaAs体系,固-液相变过程中的微观结构发生了很大的变化,在一级相变时,其原子平均能量和比体积、径向分布函数、键角分布函数、配位数和原子截面图、局部原子分布以及钻石结构分析都显示出很明显的变化.熔化过程中InGaAs晶体原子间共价键发生断裂,体系从四配位结构变成三配位结构,通过占主导作用的三配位结构,结合少量的四配位结构,形成三配位结构之间的互连接和三配位结构穿插四配位结构的连接形成的拓扑无序的液态结构.     

金属中氢鼓泡形核的机理

通过实验和理论分析研究了氢鼓泡形核、长大和开裂的过程. 在充氢试样中发现直径小于100 nm未开裂的孔洞, 它们是正在长大的氢鼓泡, 也发现已开裂的鼓泡以及裂纹多次扩展导致破裂的鼓泡.分析表明, 氢和空位复合能降低空位形成能, 从而使空位浓度大幅度升高, 这些带氢的过饱和空位很容易聚集成空位团.H在空位团形成的空腔中复合成H2就使空位团稳定, 成为氢鼓泡核.随着H和过饱和空位的不断进入, 鼓泡核不断长大, 内部氢压也不断升高.当氢压产生的应力等于被氢降低了的原子键合力时, 原子键断开, 裂纹从鼓泡壁上形核.     

自由落体条件下的快速偏晶凝固

采用落管方法实现了Ni-31.4%Pb偏晶合金在微重力和无容器条件下的深过冷和快速凝固. 理论计算表明液滴下落过程中获得的过冷度与其直径呈指数函数关系, 实验中获得了241 K(0.15 T_m)的最大过冷度. 发现随过冷度的增大, 偏晶胞组织在整个试样中的体积分数增大, 且L₂(Pb)相显著细化. 对L₂(Pb)相和α-Ni相的形核率进行了理论计算, 结果表明偏晶转变过程中L₂(Pb)相总是领先形核相.     

液气相变型超声分子探针研究进展

随着分子成像技术和各种纳米生物材料的迅速发展,医学影像技术有望对人体疾病实现从器官、组织水平到细胞、分子水平全方位、多层次在体实时观察.通过基于分子靶标的肿瘤早期诊断、革命性的肿瘤分子分型以及肿瘤边界确定和术中手术导航的全面开展,实现精准医学.超声分子影像是分子影像学的一个新的分支,在近10年发展迅速.液气相变型超声分子探针凭借其良好的穿透性以及诊疗一体化等优点,已显示出其优于传统超声分子探针的众多优势,在基础与临床应用方面展现出巨大潜力.本文对液气相变型超声分子探针的相变机制以及近几年在生物医学应用领域的研究进展进行了综述.     

气相甲醇分子的核自旋变体的分离和转换机制研究进展

原子核自旋变体(简称核自旋变体)是分子的基本存在形式.由核自旋不为零的同种原子组成的所有分子都有两种或两种以上的核自旋变体.本文先简要地回顾了初期正氢和仲氢分子的研究发展,然后介绍了几种多原子分子的核自旋变体.甲醇分子是有内部扭动类分子的原型代表和最重要的恒星大气分子之一,它有正甲醇和仲甲醇两种核自旋变体.用激光控制分子的热运动,利用光诱导漂移技术可以在室温下将正甲醇和仲甲醇分子部分地在空间中分离开,进而探求它们之间相互转换的物理机制.本文概述了该技术的基本原理和实验方法,介绍了气相正甲醇和仲甲醇分子呈现出的反常光诱导漂移量子现象,以及用量子弛豫理论定量地解释它们在0.3~2 Torr压力范围内的转换率随压力非线性变化新奇关系的最新研究结果.最后,简要展望了本研究结果的潜在应用.     

用强红外激光辐照CF_3I+CO_2混合物合成CI_4晶体

用脉冲红外激光诱导或增强化学反应过程是近十多年来发展起来的一个新的研究领域。基于多光子吸收的激光红外光化学不同于通常的热反应过程,因而也就出现了尚待深入认识的一些新课题,其前景是诱人的。用这种方法极有希望合成某些用其他方法难以得到的化合物。在这一领域,过去所做的工作几乎都是基于气相物质的单分子离解、异构化或重排,而涉及脉冲红外激光的双分子反应或更高级反应则研究得很少。特别是用强红外激光辐照气相     

人体生物矿化与病态结晶研究进展

生物体通过矿化结晶可制备出具有多层级结构有序的功能材料以实现特定生物功能,但是有害(或病态)的结晶过程则会诱发诸如肾结石、动脉粥样硬化、疟疾、痛风等疾病.迄今为止,科学家对哺乳动物体内无机或有机盐病态矿化结晶的分子机制认识仍不清楚,但随着结晶科学推动病态矿化领域的发展,生物病态结晶研究近年来已取得了众多突破性成果和重要进展.本文从结晶过程机理认识和抑制药物分子开发需求出发,首先介绍了病态矿化结晶过程诱发的几种常见人类疾病,综述了这些疾病相关的无机或有机盐晶体结晶过程机制的研究进展,重点阐述了诱发肾结石形成的晶体成核、生长、聚结和黏附不同阶段、不同尺度的分子机制研究进展以及结晶抑制药物分子的设计开发策略.最后,梳理了今后生物病态结晶领域研究的重点方向,为病态矿化引发的人类疾病的预防、治疗和药物研究开发提供指导.     

核酸三联体、氨基酸残基对应的一种球堆集模式

前言球堆集模式以质量数为基础。一个质量数由一个球粒子代表(即代表中子或质子)。以此种粒子作相互密堆时,13～14个粒子将堆成一个类似球状的带心20面体。由于原子核外的电子活动球域和同样大小的空穴球域(相当于量子化学中的空轨道)分别与核内质子和中子球粒为同心球,核的球粒子堆集画像在几何模式上可以认为是与原子堆集相对应的(后者由于相互