最新！中国科学院和东北大学连发3篇Science

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日前，中国科学院大连化学物理研究所、中国科学院化学研究所和东北大学各添一篇Science。



中国科学院大连化学物理研究所


预对准非极性反应分子会导致较大的立体动力学效应，因为它们在通往反应势垒的路上有微弱的转向相互作用。然而，有效制备排列分子的实验局限性阻碍了含氢双分子反应中空间效应的研究。

2023年1月12日，中国科学院大连化学物理研究所杨学明课题组、张东辉课题组、张兆军课题组与肖春雷课题组合作在Science 杂志在线发表题为「Stereodynamical control of the H + HD → H2 + D reaction through HD reagent alignment」的研究论文，该研究报告了一个高分辨率的交叉束研究H + HD(v = 1, j = 2)→H2(v '， j ') + D在碰撞能量为0.50,1.20和2.07电子伏特时的反应，其中振动激发的氘化氢(HD)分子以两种碰撞构型制备，它们的键优先平行排列和垂直于碰撞伙伴的相对速度。在微分截面上观察到显著的立体动力效应。量子动力学计算表明，垂直构型中的强构造干涉在观测到的立体动力学效应中起着重要作用。



化学反应动力学的基本目标是提供对化学反应过程的详细和定量的理解，并提供新的工具来控制化学事件的结果，超出传统的方法，如添加合适的催化剂和改变反应混合物的温度或压力。控制化学反应的一种有效方法是在反应物的反应坐标中沉积一些能量，使所需的分子键更容易裂解。许多动力学研究通过对试剂分子的振动激发来实现这一想法，从而发现并深入理解了键选择性或模式特异性化学。除了振动控制外，碰撞伙伴的相互方向也对化学反应结果有很大影响。因此，通过控制碰撞分子取向，可以促进或阻碍产物达到特定的最终状态或散射角。

多年来，空间位姿控制主要用于极性分子的非弹性和反应性体系。在散射实验中，已经开发了许多方法来对准或定向分子，包括光抽运、六极态选择和强力定向。有研究提出了一个优雅的理论框架来描述空间效应。最近，研究了Ar与定向NO的端向和侧向碰撞，并证明了碰撞结果可以通过改变键轴方向来控制，此外，有科学家进行了一系列实验来探究Cl + CHD3反应中空间位阻对微分截面(differential cross sections, DCSs)的影响。研究人员观察到强烈的空间位阻效应，这表明由于CHD3本质上是非极性的性质，CHD3在该体系中通往反应势垒的重定向效应并不强。

显然，排列非极性反应分子可以有很大的空间效应，因为它们在通往反应势垒的路上有微弱的转向相互作用。H2无疑是这个目的的最佳候选分子，因为它既是动力学实验中研究最广泛的分子，也是理论上最容易处理的分子。然而，直到最近，还很难制备足够浓度的特定量子态H2用于散射实验。Stark诱导的绝热拉曼通道(Stark-induced adiabatic Raman passage，SARP)技术的发展不仅打开了以特定量子态激发大浓度H2及其同位素来研究振动激发H2分子的碰撞动力学的大门，而且还使这些分子在空间动力学实验中对齐成为可能。

研究观察到，在温度低至1 K时，在排列的HD和D2分子之间的非弹性散射中，角度分布具有强烈的立体动力学偏好，这表明弱转向相互作用可以抑制重新定向效应，并暴露出更明显的空间效应。他们还通过在双轴状态下制备具有相干耦合键轴方向的旋转振动激发D2分子，创建了量子力学双缝，并证明了它们作为双缝干涉仪的两个缝，当与He原子进行非弹性散射时，干涉表现为测量角分布的强烈调制。在涉及H2分子的最简单的化学反应中是否可以观察到这种显著的空间效应，并在最基本的层面上进行理解，这是非常可取的。

该研究对H + HD→H2 + D反应进行了完全量子态解析的交叉分子束研究，使用受激拉曼泵浦(SRP)方案制备了HD分子在两种优先排列状态下的反应。

研究发现反应的DCS随着HD键轴的方向发生了巨大的变化，这表明可以有效地控制化学反应的DCS。



图1. SRP制备的两种碰撞几何示意图 | 图源：Science

进一步研究表明，HD(v = 1, j = 2)状态下m = 0和m =±2通道的角度分布不同，一个以后向为主，另一个以侧向为主。对于垂直构型，散射平面上的角度分布由公式3确定，干涉项在m = 0和m =±2通道之间。特别是在碰撞能量为1.20和2.07 eV时，两侧发生了较强的建设性干涉，显著提高了两侧的峰值高度。结果表明，垂直构型的测角分布与平行构型明显不同，表现出强烈的立体动力学效应。



图2. 产物状态分辨DCSs的实验与理论比较 | 图源：Science

总的来说，该研究利用极化受激拉曼泵浦制备氢-氘(HD)分子，HD键轴平行或垂直于H原子速度，获得了H + HD→H2 + D反应的高质量立体动力学数据。这些测量表明，HD取向对这一最基本的化学反应有重大影响，并进一步得到了与量子力学计算的良好一致的支持。目前的工作是反应动力学领域的一个重要里程碑。

中国科学院化学研究所


利用人工流体系统再现基于离子通道的神经功能一直是神经形态计算和生物医学应用的一个理想目标。

2023年1月12日，中国科学院化学研究所毛兰群课题组与于萍课题组合作在Science杂志在线发表题为「Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor」的研究论文，这项研究聚电解质-受限流体忆阻器(polyelectrolyte-confined fluidic memristor，PFM)成功地实现了神经形态功能，其中受限的聚电解质-离子相互作用导致了滞后的离子传输，从而导致了离子记忆效应。采用超低能耗的PFM模拟了各种不同的电脉冲模式。PFM的流体特性使模拟化学调节电脉冲成为可能。更重要的是，化学-电信号转导是由单个PFM实现的。



总之，该研究提出的PFM由于其结构与离子通道相似，PFM是通用的，易于与生物系统接口，为通过引入丰富的化学设计构建具有高级功能的神经形态设备铺平了道路。

具有类脑功能的人工系统(即神经形态设备)的发展正在迅速扩大，因为它们在神经形态计算、生物激发的感觉运动实现、脑机接口和神经义肢方面的应用前景广阔。到目前为止，具有不同模式的神经形态功能已经实现，并以各种方式纳入应用，主要是使用历史依赖的固态电阻切换设备。包括两端忆阻器和三端晶体管。然而，迄今为止实现的大多数神经形态功能都是基于使用固态器件对电脉冲模式的模拟。对生物突触的模拟——特别是在基于溶液的环境中模拟化学突触——使用这些固态设备仍然非常具有挑战性。在这方面，基于流体的忆阻器非常适合在水环境中实现神经形态功能，因为它与生物系统具有优异的兼容性，并且通过引入不同的化学物质赋予神经形态装置更多的功能。

先前的尝试表明，通过将电解质限制在微或纳米通道中，可以实现具有先进功能的离子基微或纳米流控器件[例如，离子二极管，离子晶体管或离子开关]。此外，通过引入离子液体-电解质界面，纳米通道获得了长期塑性。尽管有这些努力，在水介质中实现神经形态功能仍然是一个长期的挑战，主要是因为水环境中的强屏蔽效应极大地阻碍了离子间相互作用，从而限制了基于流体的系统中记忆的形成。在2021年，一个具有里程碑意义的理论模型预测，离子记忆功能可以用二维极限通道来完成，这已由同一小组在实验上实现。

这项研究报道了一种聚电解质受限流体忆阻器(PFM)，它可以成功地实现各种神经形态功能，不仅可以模拟电脉冲模式，还可以模拟化学-电信号转导。生物离子通道通过空间限制和分子识别来控制离子通量，起到天然忆阻器的作用，受其启发，设计并制造了聚咪唑电刷(polyimidazolium brush，PimB) -受限流控通道。



图1. PFM的电导率变化 | 图源：Science

之所以选择聚咪唑，是因为它电荷密度高，化学性质丰富，能够识别不同的阴离子。通常，通过表面引发的原子转移自由基聚合，将PimB生长在玻璃微型或纳米颗粒的内壁上。这样，流体被PimB所限制，在电场或化学物质的刺激下，PimB内外阴离子浓度平衡和电荷平衡的建立会滞后，导致历史依赖的离子记忆。



图2. PFM的化学-电信号转导 | 图源：Science

总的来说，该研究提出了基于受限聚电解质-离子相互作用的纳米流控离子忆阻器。研究侧重于神经形态工程的不同方面，但都显示了通过纳米级通道对水中离子运输的精确控制。这些研究显示了利用高效流体忆阻器创造神经形态功能的前景方向，可以模仿生物系统的基本原理。

东北大学


从交通运输到轻量化设计再到安全的基础设施，所有部门都需要机械强度和延展性的承重材料。然而，一个巨大的挑战是在一种材料中统一这两种功能。

2023年1月12日，东北大学袁国课题组、李琳琳课题组和德国马普学会钢铁研究所Dierk Rolf Raabe课题组合作在Science 杂志在线发表题为「Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure」的研究论文，该研究表明，在均匀伸长率>20%的情况下，普通中锰钢可以加工成抗拉强度>2.2吉帕斯卡。这需要多个横向锻造、深冷处理和回火步骤的组合。由层状和双重拓扑排列的马氏体与精细分散的保留奥氏体组成的分层微结构同时激活多种微观机制来增强和延展性材料。组织良好的马氏体中的位错滑移和渐进变形刺激相变协同作用产生了较高的延性。



总之，该研究提出的纳米结构设计策略可以生产出强度为20亿帕斯卡且具有延展性的钢，这些钢具有吸引人的成分，并具有大规模工业生产的潜力。

散装金属材料和延展性，以及精益和可持续的化学成分，是运输、建筑和基础设施轻量化和安全所必需的。然而，在大多数金属材料中，强度的增加是以牺牲延展性为代价的，表现出强度-延展性的权衡。这限制了高强度合金的加工性和损伤容限，而这是加工和应用所必需的特性。马氏体时效钢是一种典型的超高强度合金，其强度达到2GPa，几乎是所有大体积生产的结构金属和合金的最高强度。马氏体时效钢的强度来自马氏体基体和纳米尺寸的细金属间相，这些金属间相与相邻晶格的晶格失配很小，可以在不牺牲延展性的情况下增强合金。亚稳奥氏体可以引入马氏体基体中，利用相变诱导塑性(transformationinduced plasticity, TRIP)效应同步强化和延展性这种高强度钢。这些方法的缺点是使用昂贵的和战略上有限的合金元素，如Co, Ni, Mo，或Ti，这妥协了这些合金的可持续性，使延展性的增加仍然有限。

最近，在变形和分块(deformed and partitioned, D&P)钢中，高密度马氏体位错已被证明可以有效地通过位错林硬化提高屈服强度，并通过移动位错的滑动提高延展性。此外，奥氏体内部的化学不连续作为中锰钢的化学边界，可以有效地提高强度和延展性，甚至提高钢的抗氢脆性。化学边界的引入产生了可变奥氏体稳定性的亚微米区域，迫使马氏体转变为极细的马氏体-奥氏体微观结构，并增强了TRIP效应。采用这种位错和基于化学边界的工程策略，可以生产出均匀伸长率高于15%的钢材，抗拉强度水平可达2GPa。然而，这些钢显示广泛的Lüders带或Portevin-Le Chtelier带。这些是由不均匀塑性流动机制产生的锯齿形变形模式，导致不希望的变形不均匀性。此外，制造这些钢材所需的加工步骤(包括热轧、热轧、冷轧和快速加热等)相当复杂，导致其生产效率低下且成本高昂。因此，寻求延展性、可持续和具有成本效益的2-GPa钢本身是一个未解决的问题。

马氏体是所有这些超高强度钢的主要组织成分，通常以无序的方式拓扑排列，也就是说，不遵循任何拓扑设计或形状标准。间隙碳的过饱和导致其分层组织和四方变形，使其具有较高的强度，但也易脆性。然而，马氏体的拓扑有序排列有助于将脆性转化为延性。例如，在具有层状马氏体或棱柱状马氏体的钢中，强度、延展性和韧性可以通过沿晶界或相界的特定位置分层而显著提高。

特别是，界面对齐在这些类型的微观组织的延展性中可以发挥关键作用。此外，具有良好取向和拓扑排列的马氏体可获得高界面和体塑性。



图1. Fe-7.4Mn-0.34C- 1Si-0.2V钢的组织演变 | 图源：Science

考虑到所有这些结构优势，该研究开发了一种简单高效的锻造路线，随后进行深度深冷处理和回火，以实现成分平淡的中锰钢的这些拓扑特征。材料的层次结构包括组织良好的马氏体结构和在细化的棱镜形母奥氏体中形成的亚稳奥氏体。术语「组织良好」是指双重拓扑排列的马氏体(0°和40至50°)，如下所解释。这些分层纳米结构钢的抗拉强度值为2.0至2.4 GPa，均匀伸长率为18至25%，总伸长率为24至30%。



图2. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V钢的变形组织 | 图源：Science

总的来说，该研究发现一种由铁、锰、硅、碳和钒组成的高强度钢可以用不同的加工策略制成。锻造、低温处理和回火的结合创造了具有非常高强度的合金，同时具有良好的延展性和可成形性。这种策略应该是其他钢成分的选择。

论文链接：
[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7471
[2] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9150
[3] https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857

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