通过热力学图谱从有限观测中推断相变和临界指数

基于热力学图谱的相变与临界指数推断研究 学术背景 相变(phase transitions)是自然界中普遍存在的现象,从水的沸腾到磁性材料的铁磁-顺磁转变,再到生物大分子(如蛋白质和核酸)的构象转变,相变在多个科学领域中扮演着重要角色。然而,准确量化相变及其温度依赖性特征仍然是一个极具挑战性的问题,尤其是在数据稀疏或复杂的情况下。传统的统计力学方法虽然提供了研究相变的理论框架,但在实际应用中,由于相变区域的采样困难,计算相变特征(如临界温度、热容和临界指数)往往需要大量的计算资源。 为了解决这一问题,Lukas Herron、Kinjal Mondal、John S. Schneekloth Jr. 和 Pratyush Tiwary 等研究人员提出了一种名为“热力学图谱”(Thermody...

铁电向列液晶中由双半整数表面缺陷组成的π域壁

铁电向列液晶中由双半整数表面缺陷组成的π畴壁研究 学术背景 铁电材料中的π畴壁(π domain walls)是分隔不同极化区域的界面,其结构不仅在基础研究中具有重要意义,还在许多实际应用中具有重要价值。铁电向列液晶(ferroelectric nematic liquid crystals)是一种具有微观取向有序和宏观自发极化的极性流体。与传统的铁电晶体不同,铁电向列液晶具有连续的平移对称性,表现出低驱动电场、高光学非线性响应、极性拓扑结构等独特性质。这些特性不仅具有科学意义,还在非线性光学和光电应用中具有潜在价值。 尽管对固体铁电材料中的π畴壁已有深入研究,但其在流体中的结构仍不完全清楚。特别是,π畴壁在铁电向列液晶中的内部结构及其动力学行为尚未得到充分解释。本研究旨在揭示铁电向列液晶中...

光合系统II中水氧化过程中质子释放的机制

光合系统II中水氧化过程中质子释放的机制研究 学术背景 光合系统II(Photosystem II, PSII)是自然界中唯一能够催化水分解的酶,其反应不仅释放出氧气,还为生物质的合成提供了电子。水分解反应释放的质子进入类囊体腔,形成质子动力势(proton-motive force, PMF),驱动ATP的合成。尽管近年来在PSII的结构和功能研究方面取得了显著进展,但水氧化反应中的关键步骤,特别是去质子化过程的机制仍然存在争议。本文通过结合量子/经典(QM/MM)自由能计算和原子分子动力学(MD)模拟,揭示了PSII中氧释放的锰-钙簇(Mn4O5Ca)如何通过保守的羧酸盐和水分子阵列将质子传递到类囊体腔,并识别了局部质子存储位点和分子门控机制,防止了质子回流的浪费反应。 论文来源 本文由...

软椭球微凝胶在气-水界面的毛细驱动自组装

软椭球形微凝胶在气-水界面的毛细驱动自组装研究 研究背景 在流体界面(如气-水界面)上,胶体颗粒的吸附会引发界面变形,进而产生各向异性的界面介导相互作用,并形成超结构。特别是软性椭球形微凝胶由于其可调节的长宽比、可控的功能性和柔软性,成为研究自发毛细驱动自组装的理想模型。微凝胶通常由聚苯乙烯(PS)核心和交联的荧光标记的聚(N-异丙基甲基丙烯酰胺)(PNIPMAM)外壳组成。通过单轴拉伸嵌入聚乙烯醇(PVA)薄膜中的颗粒,可以精细调节其长宽比(aspect ratio, )。研究表明,长宽比的变化范围从1到8.8,这些微凝胶在气-水界面上的自组装行为通过荧光显微镜、理论计算和计算机模拟进行了研究。随着长宽比的增加,微凝胶的自组装从看似随机的结构转变为紧凑的簇,最终形成长链状的侧向组装。PN...

在Mott绝缘体中发现电子-空穴晶体的证据

背景介绍 近年来,研究者们对Mott绝缘体中的电子-空穴晶体产生了浓厚的兴趣。这类晶体能够实现量子激发态,具备承载反流超流性和拓扑序的潜力,并且具有长程量子纠缠的特性。然而,对于Mott绝缘体中电子和空穴晶体共存的实验证据尚未充分展现。在通常条件下,强电子-电子相互作用会驱动新晶体序的形成,引发Wigner晶体或者掺杂Mott绝缘体中的电荷有序现象。该类型的电子晶体是一个表现出多度量自由度的强量子涨落的多体系统,这已被用于量子模拟中。 来源介绍 该研究论文由多个研究机构的研究人员共同撰写,包括新加坡国立大学功能智能材料研究所、化学系、高级二维材料中心,北大深圳研究生院高级材料学院,俄罗斯莫斯科物理技术学院光子与二维材料中心等。具体的作者包括Zhizhan Qiu、Yixuan Han、Kei...

实现离子胶体结晶的三维实时分析

实现离子胶体结晶的三维实时分析

实时三维分析离子胶体结晶 背景与动机 在分子晶体研究中,结构通常通过散射技术来识别,因为我们无法直接观察内部结构。微米级别的胶体粒子由于其较大的体积,使得我们能够通过光学显微镜实时观察其结晶过程,然而,实践中这一过程仍然受到缺乏“X射线视野”的限制。为了解决这一问题,研究者们开发了一种折射率匹配的荧光标记胶体粒子系统,在水溶液中演示了离子晶体的稳定形成,并证明了其结构可以通过大小比和盐浓度进行控制。 研究来源 该研究由纽约大学(New York University)化学系的Shihao Zang、Adam W. Hauser、Sanjib Paul、Glen M. Hocky和Stefano Sacanna进行,并于2024年在《Nature Materials》期刊上发表。该论文的DOI...

# 移动碘捕获技术助力高稳定性的钙钛矿太阳能电池

移动碘捕获技术助力高稳定性的钙钛矿太阳能电池 背景介绍 钙钛矿太阳能电池 (Perovskite Solar Cells, PSCs) 因其高效率和低成本而被认为是未来光伏发电的热门候选材料。然而,钙钛矿材料自身的稳定性问题,尤其是光分解(Photolysis)和离子迁移(Ion Migration),严重影响了其实际应用。具体来说,碘离子(Iodide)和碘空位(Iodine Vacancies)等缺陷在光照和偏压条件下会引发自加速的化学反应,导致钙钛矿材料快速降解。因此,寻求能够捕获和稳定碘相关缺陷的方法对提高PSCs的稳定性具有重要意义。 论文来源 本文由Xiaoxue Ren、Jifei Wang、Yun Lin、Yingwei Wang、Haipeng Xie、Han Huang、...

使用生成细胞自动机研究金的手性形态发生

使用生成细胞自动机研究金的手性形态发生 背景与研究目的 手性(chirality)在自然界中无处不在,并且可以通过特定的分子相互作用和多尺度耦合在系统间传递和放大。然而,手性形成的机制以及生长过程中的关键步骤尚未完全理解。在本研究中,我们通过训练基于实验结果的生成细胞自动机(cellular automata, CA)人工神经网络,识别从非手性到手性形态的金纳米粒子的两种可区分的途径。手性最初由沿对映异构高指数平面边界的不对称生长的性质所决定。基于深度学习的手性形态生成解释不仅提供了理论理解,还允许我们预测前所未有的交叉路径及其结果形态。 作者与机构 本文由Sang Won Im、Dongsu Zhang、Jeong Hyun Han、Ryeong Myeong Kim、Changwoon ...

层叠氧化物阴极中的旋转堆叠缺陷导致的电化学机械失效

层叠氧化物阴极中的旋转堆叠缺陷导致的电化学机械失效 背景介绍 电化学机械退化是高能量密度阴极材料容量下降的主要原因之一,特别是基于嵌入的层叠氧化物。本文揭示了层叠锂过渡金属氧化物中存在旋转堆叠缺陷(Rotational Stacking Faults, RSFs)的现象,这些缺陷由于在不同角度的特定堆叠序列而产生,显著影响了材料的结构和电化学稳定性。研究表明,RSFs促进了氧二聚化和过渡金属迁移,进而导致微裂纹的形成和传播,从而在循环过程中产生累积的电化学机械退化。本文还探索了热缺陷消除作为潜在解决方案,显示其可以抑制RSFs,减少微裂纹并增强锂富集层叠阴极的循环寿命。RSFs的普遍存在但以前被忽视,提出了一种关于高能量密度层叠氧化物阴极的新合成指南。 论文来源 该论文的研究由Donggun...

在金红石二氧化钛表面光诱导水解的电子-原子核动力学研究

在金红石二氧化钛表面光诱导水解的电子-原子核动力学研究

光诱导水解离在金红石二氧化钛表面的电子-原子核动力学研究 研究背景与动机 光催化水裂解是光催化技术的重要应用之一,而二氧化钛(TiO₂)是一种具有重要应用前景的光催化材料。尽管二氧化钛在光催化水裂解和实际应用中的表现令人瞩目,但其光诱导水解的微观机制仍未完全揭示。本文研究团队通过第一性原理动态模拟,解析了在典型水-金红石TiO₂(110)界面上,光生载流子的传输路径和光诱导的水解离过程。这一研究不仅为理解光催化表面反应提供了重要的见解,也可能为提升光催化性能提供新的可能性。 研究来源与作者介绍 本研究由北京凝聚态物理国家重点实验室和中国科学院物理研究所的You Peiwei、Chen Daqiang、Liu Xinbao和Zhang Cui,松山湖材料实验室的Zhang Cui,以及普林斯顿...