科学家利用硼自由基将溶液中的氮转化为氨

科学家利用硼自由基将溶液中的氮转化为氨氮气占我们呼吸的空气的77%，因此在理论上，它几乎可以无限地用于合成氨。然而，在实践中，它只与其他元素发生极其缓慢的反应。在100多年前开发的哈伯-博世工艺中，金属催化剂加速了这种迟缓的反应。它们激活了氮气，然后在高压和高温下与氢气反应，得到氨气。温和的氨气合成氨在工业上用于生产硝酸盐化肥。当氢气被用作能源时，它也可以被用作氢气储存。迄今为止，用于固氮的微生物方法一直是为哈伯-波什工艺提出的主要的温和替代方法。然而，利用细菌进行生物技术氨的生产仍然是相当低效的。由法国图卢兹的保罗-萨巴蒂埃大学（UniversitéPaulSabatier,CNRS）的NicolasMézailles领导的一个研究小组现在发现，活性硼化合物可以非常有效地瞄准和激活分子氮。该团队解释了他们最初的想法。"我们推断，使用高能自由基可能为氮的功能化提供一个动力学和热力学上的有利途径"。研究小组的理论计算随后强调了以硼为中心的自由基是合适的候选。研究人员通过向有机卤化硼添加强还原剂来产生这些硼心自由基，由此产生的物质在室温下将分子氮转化为硼胺，而硼胺又与水酸反应，得到氯化铵。Mézailles和该团队现在描述了一种利用自由基化合物在溶液中固氮的新方法。研究人员观察到，他们产生的以硼为中心的自由基有效地分解了分子氮中稳定的三键，使得在温和条件下使分子氮功能化成为可能。这种基于自由基的方法为氨的生产开辟了进一步的可能性，而不需要依赖化石原料。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336797.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336797.htm

科学家利用AI设计增强型微型马达 从废水中产生绿色能源

科学家利用AI设计增强型微型马达从废水中产生绿色能源这项研究中的微型马达外部涂有化合物漆酶，这使得马达能够将水中的尿素转化为氨。资料来源：加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）微电机已成为一种很有前途的环境修复工具，这主要是由于它们能够在微观尺度上自主导航并执行特定任务。微电机由硅和二氧化锰制成的管子组成，其中一端通过化学反应释放气泡。这些气泡就像马达一样带动管子运动。加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）的研究人员制造了一种覆盖有化合物漆酶的微电机，当污染水中的尿素与电机接触时，漆酶会加速将尿素转化为氨。"这是一个有趣的发现。如今，水处理厂难以分解所有尿素，导致水排放后富营养化。"ICIQ凯瑟琳-比利亚（KatherineVilla）博士小组的博士生丽贝卡-费雷尔（RebecaFerrer）说。哥德堡大学教授乔瓦尼-沃尔佩。图片来源：JohanWingborg将尿素转化为氨还具有其他优势。如果能从水中提取氨，还可以将氨转化为氢，从而获得绿色能源。不过要将新技术实用化还有大量的开发工作要做，微电机产生的气泡给研究人员带来了难题。凯瑟琳-比利亚，加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）组长。图片来源：ICIQ"我们需要优化设计，使管道能够尽可能高效地净化水。"费雷尔解释说："要做到这一点，我们需要观察它们是如何运动的，以及它们能持续工作多长时间，但这很难在显微镜下观察到，因为气泡会遮挡视线。"不过，得益于哥德堡大学研究人员开发的一种人工智能方法，我们可以在显微镜下估算微电机的运动。通过机器学习，可以同时监控液体中的多个电机。"如果我们无法监控微电机，就无法对其进行开发。"哥德堡大学物理系博士生HarshithBachimanchi说："我们的人工智能在实验室环境下运行良好，目前开发工作正在实验室环境下进行。"研究人员很难说城市水处理厂还要多久才能成为能源生产商。还有很多开发工作要做，包括人工智能方法，需要对其进行修改，目标是将电机调整到完美状态，以便在大规模试验中发挥作用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396837.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396837.htm

科学家揭开尿素在生命起源中的秘密角色

科学家揭开尿素在生命起源中的秘密角色研究人员开发出一种观察液体中化学反应的新方法，揭示了涉及尿素等分子的反应，这些分子可能促成了地球生命的出现。这项技术涉及一种能产生细小液体射流的特殊仪器和X射线光谱学，使科学家们能够研究在短短飞秒内发生的反应。这一突破是在苏黎世联邦理工学院物理化学教授汉斯-雅各布-沃纳（HansJakobWörner）领导的同一研究小组先前研究的基础上取得的。这项工作针对在气体环境中发生的反应得出了类似的结果。为了将X射线光谱观测扩展到液体，研究人员必须设计一种仪器，能够在真空中产生直径小于一微米的液体射流。这一点至关重要，因为如果射流再宽一些，就会吸收部分用于测量的X射线。利用这种新方法，研究人员得以深入了解地球上生命出现的过程。许多科学家认为，尿素在其中发挥了关键作用。尿素是含有碳和氮的最简单分子之一。更重要的是，尿素极有可能在地球非常年轻的时候就已经存在，20世纪50年代的一项著名实验也表明了这一点：美国科学家斯坦利-米勒（StanleyMiller）调制了一种据信构成地球原始大气层的气体混合物，并将其暴露在雷暴条件下。这产生了一系列分子，其中之一就是尿素。根据目前的理论，尿素可能已经富集在当时没有生命的地球上的温暖水坑中--通常称为原始汤。随着汤中水分的蒸发，尿素的浓度也随之增加。在宇宙射线等电离辐射的作用下，这些浓缩的尿素有可能经过多个合成步骤产生丙二酸。反过来，这可能产生了RNA和DNA的组成元素。苏黎世联邦理工学院和日内瓦大学的研究人员利用他们的新方法，研究了这一长串化学反应的第一步，以找出浓缩尿素溶液在电离辐射下的表现。要知道，浓尿素溶液中的尿素分子会自行成对，即所谓的二聚体。研究人员现在已经能够证明，电离辐射会导致每个二聚体中的一个氢原子从一个尿素分子移动到另一个。这样，一个脲分子就变成了质子化的脲分子，而另一个脲分子则变成了脲自由基。后者具有很高的化学反应活性--事实上，它的反应活性非常高，很有可能与其他分子发生反应，从而形成丙二酸。研究人员还设法证明，氢原子的这种转移发生得非常快，大约只需要150飞秒，即150四十亿分之一秒。Wörner说："这个反应速度如此之快，以至于理论上可能发生的所有其他反应都会被这个反应所取代。这就解释了为什么浓缩尿素溶液会产生尿素自由基，而不是承载会产生其他分子的其他反应。"Wörner和他的同事们希望研究导致丙二酸形成的下一个步骤，希望这将有助于他们了解地球生命的起源。至于他们的新方法，一般也可用于研究液体中化学反应的精确顺序。"一系列重要的化学反应都发生在液体中，不仅包括人体中的所有生化过程，还包括与工业相关的大量化学合成，"沃纳说。"这就是为什么我们现在扩大了高时间分辨率X射线光谱的范围，将液体中的反应也包括在内，这一点非常重要"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382767.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382767.htm

科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态

科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态五层石墨烯堆栈中的电子呈现出奇特的多铁性新状态的艺术家印象图石墨烯本质上只是一块超薄的普通石墨薄片--事实上，它薄到只有一个原子厚。但是，尽管石墨烯的起点如此卑微，它却具有超强、超导、柔韧等特性，并有望彻底改变从电子产品、服装到航空航天工程等一切领域。当你开始堆叠石墨烯薄片，甚至将它们扭曲到特定角度时，其他非凡的能力就会显现出来，比如磁性或超强的透水性。在新的研究中，麻省理工学院的研究小组又发现了另一种材料--"多铁性行为"，这在材料界是非常罕见的。铁性材料是指其粒子具有协调行为的材料--例如，磁铁的所有电子即使在没有外部磁场的情况下也会将自旋指向同一方向。多铁性材料是指显示出不止一种协调行为的材料，例如，磁性指向一个方向，而电荷指向另一个方向。研究人员计算出，在非常特殊的情况下，石墨烯应该成为多铁性材料。从理论上讲，只有当五层石墨烯叠放在一起，每层略有偏移，使三维整体形成菱形时，才会出现多铁性。在五层石墨烯中，电子恰好处于晶格环境中，它们的移动速度非常缓慢，因此可以有效地与其他电子相互作用。这时电子相关效应开始占主导地位，它们可以开始协调成某些优先的铁氧体秩序。接下来，研究小组开始在实践中证实这一理论，他们从石墨块上刮下石墨烯薄片，并用强力显微镜进行检查，以找到一些自然具有理想菱形形状的石墨烯。然后，他们将发现的几种石墨烯分离出来，在略高于绝对零度的温度下进行研究，在这种温度下，其他效应会减弱，因此只有他们正在寻找的石墨烯才能发光。果然，研究小组发现，这些特殊薄片中的电子对一个方向的电场和另一个方向的磁场反应一致，证实了多铁行为。但即使是这些单独的行为也是不寻常的--磁性产生于电子轨道运动的协调，而不是它们的自旋。电子行为产生于电子优先进入一个"谷"（或最低能量状态），而不是平均进入两个谷。因此，研究小组将这种奇特的电子状态称为"铁谷性"。"我们知道在这种结构中会发生一些有趣的事情，但我们不知道具体是什么，直到我们进行了测试，"该研究的共同第一作者卢正光说。"这是我们第一次看到铁谷电子学，也是我们第一次看到铁谷电子学与非常规铁磁体共存"。研究人员说，这种奇特的行为最终可以被利用来有效地将芯片的数据存储容量提高一倍。这项研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390923.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390923.htm

德国科学家创造出迄今最短电子短脉冲 仅持续53阿秒

德国科学家创造出迄今最短电子短脉冲仅持续53阿秒  电子脉冲用于表示计算机内部的数据或被电子显微镜用于捕捉图像，脉冲越短，信息被传输的速度越快，研究人员一直致力于尽可能缩短电子脉冲的持续时长。普通电路内的电场产生的电子脉冲受限于电子在物质内振荡的频率。一个电子脉冲至少需要持续半个振荡周期，因为正是这种振荡周期为电子产生了“推动力”。而光能以更高频率振荡，因此研究人员一直尝试使用短脉冲光来触发电子脉冲。2016年，研究团队创造了持续时间仅为380阿秒的可见光闪烁。借助同样的技术，该团队聚焦激光，从钨针尖端剥落电子并将其打到真空中，获得了持续时间仅53阿秒的电子脉冲。研究人员表示，他们探测到的53阿秒电子脉冲甚至比引发它的光脉冲还要短。根据玻尔的氢原子模型，这一持续时间仅为氢原子中电子绕其原子核运行一周所需时间的1/5。如此短的电子脉冲可使电子显微镜及时聚焦于较短的切片上，类似于降低相机的快门速度，从而更清晰地揭示粒子的运动。研究人员称，如果利用此次获得的阿秒电子脉冲创建电子显微镜，不仅有足够的分辨率来观察运动中的原子，甚至可看到电子在这些原子之间是如何跳跃的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1341451.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1341451.htm

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特研究小组成功地在半导体纳米结构中产生了量子位。研究人员利用一种特殊的能量转换，在量子点（半导体的一个微小区域）中产生了一种叠加态，其中一个电子空穴同时拥有两个不同的能级。这种叠加态是量子计算的基础。以前，要诱导这种状态，必须使用能够发射太赫兹范围光线的大型自由电子激光器。遗憾的是，这种波长太长，无法将光束准确聚焦到量子点上。不过，该团队利用两个经过仔细校准的短波长激光脉冲实现了激发。以杭州浙江大学的刘锋为首的研究小组与波鸿鲁尔大学的阿尔内-路德维希博士领导的研究小组以及其他来自中国和英国的研究人员一起，在2023年7月24日在线出版的《自然-纳米技术》杂志上报告了他们的研究成果。研究人员成功地在一种半导体纳米结构中创建了一种量子叠加态，它可能成为量子计算的基础。诀窍在于：两个光学激光脉冲可作为一个太赫兹激光脉冲。(波鸿研究团队：Hans-GeorgBabin（左）和ArneLudwig）。资料来源：RUB，Marquard为了实现这种叠加态，研究人员利用了辐射奥格转变。在这一过程中，一个电子与一个空穴重新结合，部分能量以光子形式释放，部分能量转移到另一个电子上。电子空穴--换句话说，缺失的电子--也会发生同样的过程。2021年，一个研究小组首次成功地专门激发了半导体中的辐射奥杰转变。在当前的项目中，研究人员证明了辐射奥杰过程可以被相干驱动：他们使用了两束不同的激光，其强度相互之间有特定的比例。通过第一束激光，他们激发了量子点中的电子-空穴对，产生了由两个空穴和一个电子组成的准粒子。利用第二束激光，他们触发了辐射奥杰过程，将一个空穴提升到一系列更高的能量状态。研究人员利用微调激光脉冲在空穴基态和高能态之间产生叠加。这样，空穴就同时存在于这两种状态中。这种叠加是量子比特的基础，与传统比特不同，量子比特不仅存在于"0"和"1"两种状态，而且还存在于这两种状态的叠加中。汉斯-格奥尔格-巴宾（Hans-GeorgBabin）在波鸿鲁尔大学由安德烈亚斯-维克（AndreasWieck）教授领导的应用固体物理教席的阿尔内-路德维希（ArneLudwig）博士的指导下，制作了用于实验的高纯度半导体样品。在此过程中，研究人员提高了量子点的集合均匀性，并确保了所生产结构的高纯度。这些措施为与严俊勇和刘峰合作的中国合作伙伴进行实验提供了便利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374897.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374897.htm