Bet365 - Online Sports Betting清华Nature、北大Science、中科大Science

2025-06-04 04:08:17

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　　研究表明，在分子筛孔道中，主客体氢键相互作用和范德华力能够稳定吡啶分子在分子筛孔口处平躺时的原子构象，当吡啶六元环被充分地暴露在孔口成像投影方向上时，能够从静态图像甚至原位实验中直观地识别分子的原子排列、键长及与酸性位的相互作用。这一成像策略的核心是积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM）可以实现超低电子剂量下有机小分子的皮米级高分辨成像，以及高硅铝比准二维片层ZSM-5（2-3个单胞厚度）孔道内相互作用势阱能够限域单个吡啶分子，利用酸碱相互作用使吡啶单分子平躺在孔口处，实现了吡啶六元环的原子级分辨率成像。首先，采用原位成像实验研究了孔道内吡啶分子动态吸脱附过程，随着脱附过程的进行，能够在部分孔道中观察到与酸性位点相互作用的吡啶六元环结构（如图1所示），这证明了酸性位结合孔口范德华力作用使小分子环球结构原子级分辨的成像策略可行性。更进一步，如图2所示，实现了对单个吡啶分子的原子级成像，吡啶六元环上的原子清晰可辨。通过图像和计算的对比，证实了吡啶分子的成像结果，同时通过最小二乘法确定了吡啶环中N原子的位置。此外，根据吡啶环的位置和取向，能够识别出孔道内酸性位点的位置。

　　近日，北京大学物理学院、轻元素先进材料研究中心江颖教授、陈基研究员、王恩哥院士与北京师范大学化学学院郭静教授等合作，通过调控氢原子核的量子效应，首次在常压下实现含有对称氢键构型（Zundel构型）的二维冰，得到了一种由核量子效应催生和稳定的全新物态。2022年7月15日，相关研究成果以“金属表面单层水中Eigen/Zundel阳离子及其相互转换的直接成像”（Visualizing Eigen/Zundel cations and their interconversion in monolayer water on metal surfaces）为题，在线发表于国际顶级学术期刊《科学》（Science）。东京大学原子力显微镜领域著名专家Yoshiaki Sugimoto教授在同期《科学》“观点”（Perspective）栏目中以“冰定则如何被打破的直接观测”（Seeing how ice breaks the rule）为题对该工作进行了评述。此外，该工作还被《科学》杂志以网站首页图片形式进行重点报道。

　　氢键存在于以共价键与一个原子（X, donor）结合的氢原子与另一个原子（Y, acceptor）之间（X-H‧‧‧Y），发生氢键作用的两个原子（X和Y）通常为电负性较强的原子。氢键强度一般为5～200 kJ/mol，强于范德华相互作用而弱于共价相互作用与离子相互作用。对称氢键是一种特殊的氢键（X-H-X），它的氢原子位于两个电负性较强的原子的几何中心位置，与两个原子的相互作用强度相同，是一种理想的三中心四电子成键模型。对称氢键比正常氢键强得多，更加接近共价键，可催生凝聚态物质诸多奇异物性，例如：高温超导电性、绝缘体-金属相变、超快质子传输、超离子态等。因此，对称氢键在新物态的探索研究中受到了广泛的关注。

　　早在2016年，江颖和王恩哥等领导的研究团队就发现，氢原子核的量子效应引起的量子涨落可以缩短氢键的键长，从而增强氢键作用（Science352, 321 (2016)）。同年的理论研究发现，核量子效应对于高压下富氢化合物超导相（对称氢键相）的稳定起了关键作用，大幅降低了形成对称氢键所需要的压力（Nature532, 81 (2016)）。2021年，美国SLAC国家加速器实验室的研究人员利用超快电子衍射技术，在飞秒时间尺度也观察到了核量子效应可导致液态水氢键的增强和水分子间距的减小，该现象被称为“量子拖拽”（Nature596, 531 (2021)）。这些研究均表明，核量子效应可产生等效的高压，从而促进对称氢键的形成。如果能对核量子效应进行有效调控和增强，甚至有望在常压下实现对称氢键构型。

　　研究团队选取了表面上的二维冰作为实现对称氢键构型的候选体系（Nature577, 60 (2020)），主要基于两点考虑：1、二维冰的晶格常数可由衬底调制，从而可以对氢键网络进行预压缩；2、在二维受限体系中，核量子态之间的关联和核量子效应会被显著增强。为了进一步增强核量子效应，研究人员对二维冰进行了高密度的氢离子掺杂。当氢离子浓度较小时，氢离子与水分子结合为Eigen构型水合氢离子（H3O+(H2O)3），并通过自组装形成短程有序的二维六角网络（图4A），但其晶格常数较大，网络中只存在非对称氢键。当提升氢离子掺杂浓度时，Eigen构型的氢离子会两两结合形成Zundel构型离子（H5O2+），多余的一个氢离子会转移到衬底上，形成一种长程有序的二维六角冰结构（图4B）。这种Zundel构型的二维冰较本征的二维冰产生了超过10%的晶格收缩，最小的氧-氧间距接近250 皮米，部分氢键出现明显的对称化。

　　为了能够从实空间确认对称氢键构型，研究人员在2018年探测到水合钠离子的基础上（Nature557, 701 (2018)），进一步开发了新一代qPlus型非侵扰式原子力显微镜技术（qPlus-AFM），并将其探测灵敏度和成像分辨率分别提升到~2 皮牛和~20 皮米（国际最好水平），成功区分了非对称氢键Eigen和对称氢键Zundel构型的水合氢离子，并通过针尖操纵实现了两种构型的相互转化（图5A-C）。通过AFM高分辨图像可以精确识别Zundel构型的对称氢键，其中氧原子为图像中成对出现的亮球，其正中心出现的暗区为两个水分子中间共享的氢离子（见图4B中的箭头）。第一性原理路径积分分子动力学模拟（PIMD）的结果表明，氢离子的高密度掺杂大大增强了核量子效应，从而促进水分子间氢核的量子离域，进而在常压下得到了对称氢键构型的二维冰。这是一种由核量子效应催生和稳定的全新物态，并且可在室温下稳定存在。

　　为了解决以往的量子模拟器中相干调控的粒子数太少和无法保证规范对称性约束的两个主要问题，中国科大的研究团队开发了独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等量子调控和测量技术，在超冷原子量子模拟器中提出并实现了光晶格中原子的深度制冷，解决了量子模拟器温度过高缺陷过多的问题，实验制备了近百个原子级别的规模化量子模拟器 [Science 369, 550 (2020)]；首次实现了利用大规模量子模拟器对格点规范场理论量子相变过程的实验模拟，验证了过程中的规范不变性[Nature587, 392 (2020)]。在以上研究的基础上，通过实验和理论结合，该团队将系统制备到远离平衡的初态，首次实验研究了规范对称性约束对量子多体系统热化动力学的影响，并且观测到具有相同守恒量的不同初态热化到同一个平衡态的过程，验证了热化过程造成的量子多体系统初态信息的“丢失”，建立了规范场理论早期非平衡动力学与最终热平衡态之间的联系，在使用规模化的量子模拟器求解复杂物理问题的道路上取得了重要进展。

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