日前，中國科學院大連化學實體研究所、中國科學院化學研究所和東北大學各添一篇Science。
中國科學院大連化學實體研究所
預對準非極性反應分子會導緻較大的立體動力學效應，因為它們在通往反應勢壘的路上有微弱的轉向互相作用。然而，有效制備排列分子的實驗局限性阻礙了含氫雙分子反應中空間效應的研究。
2023年1月12日，中國科學院大連化學實體研究所楊學明課題組、張東輝課題組、張兆軍課題組與肖春雷課題組合作在Science 雜志線上發表題為「Stereodynamical control of the H + HD → H2 + D reaction through HD reagent alignment」的研究論文，該研究報告了一個高分辨率的交叉束研究H + HD(v = 1, j = 2)→H2(v '， j ') + D在碰撞能量為0.50,1.20和2.07電子伏特時的反應，其中振動激發的氘化氫(HD)分子以兩種碰撞構型制備，它們的鍵優先平行排列和垂直于碰撞夥伴的相對速度。在微分截面上觀察到顯著的立體動力效應。量子動力學計算表明，垂直構型中的強構造幹涉在觀測到的立體動力學效應中起着重要作用。
化學反應動力學的基本目标是提供對化學反應過程的詳細和定量的了解，并提供新的工具來控制化學事件的結果，超出傳統的方法，如添加合适的催化劑和改變反應混合物的溫度或壓力。控制化學反應的一種有效方法是在反應物的反應坐标中沉積一些能量，使所需的分子鍵更容易裂解。許多動力學研究通過對試劑分子的振動激發來實作這一想法，進而發現并深入了解了鍵選擇性或模式特異性化學。除了振動控制外，碰撞夥伴的互相方向也對化學反應結果有很大影響。是以，通過控制碰撞分子取向，可以促進或阻礙産物達到特定的最終狀态或散射角。
多年來，空間位姿控制主要用于極性分子的非彈性和反應性體系。在散射實驗中，已經開發了許多方法來對準或定向分子，包括光抽運、六極态選擇和強力定向。有研究提出了一個優雅的理論架構來描述空間效應。最近，研究了Ar與定向NO的端向和側向碰撞，并證明了碰撞結果可以通過改變鍵軸方向來控制，此外，有科學家進行了一系列實驗來探究Cl + CHD3反應中空間位阻對微分截面(differential cross sections, DCSs)的影響。研究人員觀察到強烈的空間位阻效應，這表明由于CHD3本質上是非極性的性質，CHD3在該體系中通往反應勢壘的重定向效應并不強。
顯然，排列非極性反應分子可以有很大的空間效應，因為它們在通往反應勢壘的路上有微弱的轉向互相作用。H2無疑是這個目的的最佳候選分子，因為它既是動力學實驗中研究最廣泛的分子，也是理論上最容易處理的分子。然而，直到最近，還很難制備足夠濃度的特定量子态H2用于散射實驗。Stark誘導的絕熱拉曼通道(Stark-induced adiabatic Raman passage，SARP)技術的發展不僅打開了以特定量子态激發大濃度H2及其同位素來研究振動激發H2分子的碰撞動力學的大門，而且還使這些分子在空間動力學實驗中對齊成為可能。
研究觀察到，在溫度低至1 K時，在排列的HD和D2分子之間的非彈性散射中，角度分布具有強烈的立體動力學偏好，這表明弱轉向互相作用可以抑制重新定向效應，并暴露出更明顯的空間效應。他們還通過在雙軸狀态下制備具有相幹耦合鍵軸方向的旋轉振動激發D2分子，建立了量子力學雙縫，并證明了它們作為雙縫幹涉儀的兩個縫，當與He原子進行非彈性散射時，幹涉表現為測量角分布的強烈調制。在涉及H2分子的最簡單的化學反應中是否可以觀察到這種顯著的空間效應，并在最基本的層面上進行了解，這是非常可取的。
該研究對H + HD→H2 + D反應進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)方案制備了HD分子在兩種優先排列狀态下的反應。
研究發現反應的DCS随着HD鍵軸的方向發生了巨大的變化，這表明可以有效地控制化學反應的DCS。
圖1. SRP制備的兩種碰撞幾何示意圖 | 圖源：Science
進一步研究表明，HD(v = 1, j = 2)狀态下m = 0和m =±2通道的角度分布不同，一個以後向為主，另一個以側向為主。對于垂直構型，散射平面上的角度分布由公式3确定，幹涉項在m = 0和m =±2通道之間。特别是在碰撞能量為1.20和2.07 eV時，兩側發生了較強的建設性幹涉，顯著提高了兩側的峰值高度。結果表明，垂直構型的測角分布與平行構型明顯不同，表現出強烈的立體動力學效應。
圖2. 産物狀态分辨DCSs的實驗與理論比較 | 圖源：Science
總的來說，該研究利用極化受激拉曼泵浦制備氫-氘(HD)分子，HD鍵軸平行或垂直于H原子速度，獲得了H + HD→H2 + D反應的高品質立體動力學資料。這些測量表明，HD取向對這一最基本的化學反應有重大影響，并進一步得到了與量子力學計算的良好一緻的支援。目前的工作是反應動力學領域的一個重要裡程碑。
中國科學院化學研究所
利用人工流體系統再現基于離子通道的神經功能一直是神經形态計算和生物醫學應用的一個理想目标。
2023年1月12日，中國科學院化學研究所毛蘭群課題組與于萍課題組合作在Science雜志線上發表題為「Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor」的研究論文，這項研究聚電解質-受限流體憶阻器(polyelectrolyte-confined fluidic memristor，PFM)成功地實作了神經形态功能，其中受限的聚電解質-離子互相作用導緻了滞後的離子傳輸，進而導緻了離子記憶效應。采用超低能耗的PFM模拟了各種不同的電脈沖模式。PFM的流體特性使模拟化學調節電脈沖成為可能。更重要的是，化學-電信号轉導是由單個PFM實作的。
總之，該研究提出的PFM由于其結構與離子通道相似，PFM是通用的，易于與生物系統接口，為通過引入豐富的化學設計建構具有進階功能的神經形态裝置鋪平了道路。
具有類腦功能的人工系統(即神經形态裝置)的發展正在迅速擴大，因為它們在神經形态計算、生物激發的感覺運動實作、腦機接口和神經義肢方面的應用前景廣闊。到目前為止，具有不同模式的神經形态功能已經實作，并以各種方式納入應用，主要是使用曆史依賴的固态電阻切換裝置。包括兩端憶阻器和三端半導體。然而，迄今為止實作的大多數神經形态功能都是基于使用固态器件對電脈沖模式的模拟。對生物突觸的模拟——特别是在基于溶液的環境中模拟化學突觸——使用這些固态裝置仍然非常具有挑戰性。在這方面，基于流體的憶阻器非常适合在水環境中實作神經形态功能，因為它與生物系統具有優異的相容性，并且通過引入不同的化學物質賦予神經形态裝置更多的功能。
先前的嘗試表明，通過将電解質限制在微或納米通道中，可以實作具有先進功能的離子基微或納米流控器件[例如，離子二極管，離子半導體或離子開關]。此外，通過引入離子液體-電解質界面，納米通道獲得了長期塑性。盡管有這些努力，在水媒體中實作神經形态功能仍然是一個長期的挑戰，主要是因為水環境中的強屏蔽效應極大地阻礙了離子間互相作用，進而限制了基于流體的系統中記憶的形成。在2021年，一個具有裡程碑意義的理論模型預測，離子記憶功能可以用二維極限通道來完成，這已由同一小組在實驗上實作。
這項研究報道了一種聚電解質受限流體憶阻器(PFM)，它可以成功地實作各種神經形态功能，不僅可以模拟電脈沖模式，還可以模拟化學-電信号轉導。生物離子通道通過空間限制和分子識别來控制離子通量，起到天然憶阻器的作用，受其啟發，設計并制造了聚咪唑電刷(polyimidazolium brush，PimB) -受限流控通道。
圖1. PFM的電導率變化 | 圖源：Science
之是以選擇聚咪唑，是因為它電荷密度高，化學性質豐富，能夠識别不同的陰離子。通常，通過表面引發的原子轉移自由基聚合，将PimB生長在玻璃微型或納米顆粒的内壁上。這樣，流體被PimB所限制，在電場或化學物質的刺激下，PimB内外陰離子濃度平衡和電荷平衡的建立會滞後，導緻曆史依賴的離子記憶。
圖2. PFM的化學-電信号轉導 | 圖源：Science
總的來說，該研究提出了基于受限聚電解質-離子互相作用的納米流控離子憶阻器。研究側重于神經形态工程的不同方面，但都顯示了通過納米級通道對水中離子運輸的精确控制。這些研究顯示了利用高效流體憶阻器創造神經形态功能的前景方向，可以模仿生物系統的基本原理。
東北大學
從交通運輸到輕量化設計再到安全的基礎設施，所有部門都需要機械強度和延展性的承重材料。然而，一個巨大的挑戰是在一種材料中統一這兩種功能。
2023年1月12日，東北大學袁國課題組、李琳琳課題組和德國馬普學會鋼鐵研究所Dierk Rolf Raabe課題組合作在Science 雜志線上發表題為「Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure」的研究論文，該研究表明，在均勻伸長率>20%的情況下，普通中錳鋼可以加工成抗拉強度>2.2吉帕斯卡。這需要多個橫向鍛造、深冷處理和回火步驟的組合。由層狀和雙重拓撲排列的馬氏體與精細分散的保留奧氏體組成的分層微結構同時激活多種微觀機制來增強和延展性材料。組織良好的馬氏體中的位錯滑移和漸進變形刺激相變協同作用産生了較高的延性。
總之，該研究提出的納米結構設計政策可以生産出強度為20億帕斯卡且具有延展性的鋼，這些鋼具有吸引人的成分，并具有大規模工業生産的潛力。
散裝金屬材料和延展性，以及精益和可持續的化學成分，是運輸、建築和基礎設施輕量化和安全所必需的。然而，在大多數金屬材料中，強度的增加是以犧牲延展性為代價的，表現出強度-延展性的權衡。這限制了高強度合金的加工性和損傷容限，而這是加工和應用所必需的特性。馬氏體時效鋼是一種典型的超高強度合金，其強度達到2GPa，幾乎是所有大體積生産的結構金屬和合金的最高強度。馬氏體時效鋼的強度來自馬氏體基體和納米尺寸的細金屬間相，這些金屬間相與相鄰晶格的晶格失配很小，可以在不犧牲延展性的情況下增強合金。亞穩奧氏體可以引入馬氏體基體中，利用相變誘導塑性(transformationinduced plasticity, TRIP)效應同步強化和延展性這種高強度鋼。這些方法的缺點是使用昂貴的和戰略上有限的合金元素，如Co, Ni, Mo，或Ti，這妥協了這些合金的可持續性，使延展性的增加仍然有限。
最近，在變形和分塊(deformed and partitioned, D&P)鋼中，高密度馬氏體位錯已被證明可以有效地通過位錯林硬化提高屈服強度，并通過移動位錯的滑動提高延展性。此外，奧氏體内部的化學不連續作為中錳鋼的化學邊界，可以有效地提高強度和延展性，甚至提高鋼的抗氫脆性。化學邊界的引入産生了可變奧氏體穩定性的亞微米區域，迫使馬氏體轉變為極細的馬氏體-奧氏體微觀結構，并增強了TRIP效應。采用這種位錯和基于化學邊界的工程政策，可以生産出均勻伸長率高于15%的鋼材，抗拉強度水準可達2GPa。然而，這些鋼顯示廣泛的Lüders帶或Portevin-Le Châtelier帶。這些是由不均勻塑性流動機制産生的鋸齒形變形模式，導緻不希望的變形不均勻性。此外，制造這些鋼材所需的加工步驟(包括熱軋、熱軋、冷軋和快速加熱等)相當複雜，導緻其生産效率低下且成本高昂。是以，尋求延展性、可持續和具有成本效益的2-GPa鋼本身是一個未解決的問題。
馬氏體是所有這些超高強度鋼的主要組織成分，通常以無序的方式拓撲排列，也就是說，不遵循任何拓撲設計或形狀标準。間隙碳的過飽和導緻其分層組織和四方變形，使其具有較高的強度，但也易脆性。然而，馬氏體的拓撲有序排列有助于将脆性轉化為延性。例如，在具有層狀馬氏體或棱柱狀馬氏體的鋼中，強度、延展性和韌性可以通過沿晶界或相界的特定位置分層而顯著提高。
特别是，界面對齊在這些類型的微觀組織的延展性中可以發揮關鍵作用。此外，具有良好取向和拓撲排列的馬氏體可獲得高界面和體塑性。
圖1. Fe-7.4Mn-0.34C- 1Si-0.2V鋼的組織演變 | 圖源：Science
考慮到所有這些結構優勢，該研究開發了一種簡單高效的鍛造路線，随後進行深度深冷處理和回火，以實作成分平淡的中錳鋼的這些拓撲特征。材料的層次結構包括組織良好的馬氏體結構和在細化的棱鏡形母奧氏體中形成的亞穩奧氏體。術語「組織良好」是指雙重拓撲排列的馬氏體(0°和40至50°)，如下所解釋。這些分層納米結構鋼的抗拉強度值為2.0至2.4 GPa，均勻伸長率為18至25%，總伸長率為24至30%。
圖2. Fe-7.4Mn-0.34C-1Si-0.2V鋼的變形組織 | 圖源：Science
總的來說，該研究發現一種由鐵、錳、矽、碳和釩組成的高強度鋼可以用不同的加工政策制成。鍛造、低溫處理和回火的結合創造了具有非常高強度的合金，同時具有良好的延展性和可成形性。這種政策應該是其他鋼成分的選擇。
論文連結：
[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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