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新研究表明水有多種液態
每個人都知道水是什麼，它是我們所知道生命的關鍵。水的獨特之處在於它對壓力和溫度變化的反應，可以和其他液體完全不同。是什麼原因導致水對壓力和溫度的反應與其他液體不同，科學家們已經研究了一段時間。
一個國際研究小組已經證明，水可以以兩種不同的液體狀態存在。這一發現或許可以解釋這種無處不在的液體的異常特性。大約30年前，根據計算機模擬的結果，提出了水以兩種不同液態存在的可能性。由於水在0度不可避免地形成了冰，因此進入水的兩種液態的實驗一直是個難題。
水的典型液態是大家所熟悉的，是正常溫度下的液態水。研究發現，在零下63攝氏度左右的低溫條件下，水以兩種不同的液態存在。一種狀態是低壓下的低密度液體，另一種狀態是高壓下的高密度液體。兩種液體的性質明顯不同，密度相差20%。
研究結果暗示，在適當的條件下，水會以兩種不相溶的液體存在，被一個薄薄的界面隔開，類似於油和水的共存方式。由於水在地球上的生命和不同領域，如生物化學、氣候、低溫保存、低溫生物學、材料科學和其他工業過程中發揮著根本性的作用，因此學習關於水的一切可能是非常重要的。
這兩種液體狀態可能會影響多種科學和工程應用。該項目的研究人員指出，關於兩種液體的存在如何影響到一般oculus溶液的行為，這仍然是一個懸而未決的問題。
圖片來源/環球網
——cnBeta.COM
我國學者揭秘古老光合細菌
光合作用機理
浙江大學醫學院、良渚實驗室與中國科學院植物研究所科研團隊合作，解析了綠硫細菌古老光合反應中心的原子空間結構，揭示了獨特的色素分子空間排布及能量傳遞機制，有助於理解光合反應中心的起源和進化，為設計光敏器件、提升植物光能利用率提供借鑑。相關研究於2020年11月20日刊登在《科學》雜誌。
光合細菌是一種35億年前就在地球上出現的古老的原核生物體，在經歷漫長的生物進化和多次對生物界具有毀滅性的氣候大災變後，這些古老的生物依然頑強地活著。綠硫細菌是光合細菌大家庭中的一員，這類細菌具備獨特的光合作用系統，能夠在光線極弱的環境中進行光合作用。
綠硫細菌光合作用系統
及內周捕光天線-反應中心複合體結構模型
科研團隊優化了樣品製備的各環節，獲得了穩定且足夠的蛋白複合體樣品，通過冷凍電鏡技術，收集了近萬張樣品顆粒的電子顯微鏡成像圖片，最終成功解析了綠硫細菌反應中心的三維原子結構。
綠硫細菌反應中心的葉綠素分子分為兩層，兩層葉綠素之間有一條明顯的「間隙」。據浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院、良渚實驗室教授張興介紹，在目前已經解析的其他光合作用反應中心結構中，類似的「間隙」中間都有一種作為橋梁的葉綠素分子來促進能量由上層的葉綠素分子傳到下層葉綠素分子，但在綠硫細菌反應中心內部沒有這個橋梁分子。
「光合作用的反應過程十分複雜，反應中心的空間結構也極其複雜。在地球幾十億年的歷史中，光合反應中心起源只產生過一次，地球上現有的所有光合反應中心都是從同一個祖先蛋白通過發散方式進化而來。」張興說，課題組下一步研究將努力獲取更多的數據，來揭示該古老反應中心進行能量傳遞的分子機理。未來有望通過人工模擬光合作用機制、仿生設計光敏器件，改造植物光合反應系統、提高太陽能利用率，提高農作物產量。
——新華網
科學家在極細多晶體銅中發現
新型亞穩結構
中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心與上海交通大學的研究人員，通過大量精細實驗並結合模擬計算發現，當晶粒尺寸降低到幾納米時，純金屬銅多晶體會形成一種新型亞穩結構——受限晶體結構。相關研究成果近日發表於《科學》。
金屬通常以多晶體形式存在，即許多金屬原子按一定規則整齊排列在一起形成一個有序區域，稱為晶粒。晶粒尺寸越小，晶界上原子就比較多，多晶體的穩定性就越差。對於某些金屬合金，當晶粒尺寸減小到足夠小時（通常為幾納米），整個多晶體結構會失穩，形成一種亞穩的非晶態固體，它在受熱或力的作用下會進一步向更穩定的晶體轉變。
論文第一作者、中國科學院金屬研究所研究員李秀豔介紹，非晶固態只在有限的合金成分範圍內才能形成，對於絕大多數合金和純金屬，無論晶粒多麼細小也無法形成非晶固態。那麼，在多晶體晶粒尺寸不斷減小接近某極限值（如原子尺寸）前是否存在別的亞穩態結構？
此次研究團隊發現的這種新型亞穩結構——受限晶體結構，具有極小界面的三維結構，表現出極高的熱穩定性和力學穩定性，在純銅的熔點以下不發生晶粒長大，其強度接近理論強度。這一發現表明除非晶固態外，多晶體金屬在晶粒極細時還存在另外一種亞穩固體狀態，其穩定性甚至遠高於非晶固體。
研究人員利用兩步低溫塑性變形技術，成功地將純銅薄片的晶粒尺寸降低到10納米以下。他們在顯微結構下觀察發現，這種極細的多晶體中呈現出典型的類似水油不互溶雙連續相中常見的流形結構。經系統表徵納米晶粒的尺寸、形態、取向及分布等，他們發現，許多極小晶粒具有規則的Kelvin截角八面體形態，並且存在相當數量的低能界面。結合這些結構特徵和分子動力學模擬計算，研究人員發現這種極細晶粒之間的界面具有一種極小界面結構特徵，這種被稱為Schwarz-D的界面的平均曲率為零，結構穩定性很強。同時，極細晶粒中大量低能孿晶界又進一步約束了這種極小界面，使其穩定性更高。
李秀豔表示，受限晶體結構的發現為探索固態物質結構基本特徵及其新性能開闢了全新空間，也為研發高穩定性金屬材料及製造工藝提供了新的機遇。
左上：純銅中受限晶體的TEM明場像；右上：高分辨透射電鏡觀察顯示受限晶體顯示出近截角八面體特徵；下：MD模擬顯示受限晶體特徵
圖片來源/中科院之聲
——中國科學報
中外科學家用超冷原子量子模擬器成功求解施溫格方程
近期，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等人與德國、義大利科學家合作，開發出一種專用型量子計算機——71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學方程施溫格模型進行了成功模擬，取得了利用規模化量子計算和量子模擬方法求解複雜物理問題的重要突破。11月19日，國際著名學術期刊《自然》雜誌發表了該成果。
規範場理論描述基本粒子之間的相互作用、產生和湮滅過程可以用晶格中超冷原子之間的相互作用及其排布模式來模擬 製圖/石千惠、梁琰
規範場理論是現代物理學的根基，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等都是滿足特定群對稱性的規範場理論。迄今為止，標準模型成為統一描述強、弱、電磁三種相互作用的最成功的理論，楊振寧、米爾斯、溫伯格、費曼等科學家為此作出重要貢獻。但是，求解各種規範場方程的計算複雜度非常高，對超級計算機的數值計算能力形成重大挑戰。
近年來，國際科學界試圖開發「量子模擬器」這種專用型量子計算機，製備目標量子物態，獲得規範場模型的各種物理性質。多個知名國際科研機構用超冷原子、囚禁離子等體系對規範場模型的基本單元進行了初步的量子模擬研究，但在實驗中遇到一系列難題。
近期，中科大研究團隊開發了獨特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數分辨探測等量子調控和測量技術，解決以往的量子模擬器中相干調控的粒子數太少和無法同時產生規範場、物質場的兩個主要問題。
通過實驗上的精確調控，他們在71個格點的超冷原子量子模擬器上模擬了一維格點體系的施溫格方程模型，首次模擬了規範場與物質場之間的相互作用和轉化，並由此觀測到了局域規範不變性，驗證了高斯定理，在使用規模化的量子模擬器求解複雜物理問題的道路上取得了突破性進展。
《自然》雜誌審稿人對此給予高度評價，認為這是「量子模擬方法研究晶格規範場的一個重要裡程碑」，取得的成果將對量子信息、原子分子光學、固態物理等科研領域產生積極影響。
——中國科學報
超級塗層為戶外設備披上「防寒服」
天氣日漸寒冷，人們穿上了防寒服禦寒保暖。但是像飛機、風力渦輪機、輸電線路和公路等基礎設施如果也怕冷該怎麼辦？記者從天津大學獲悉，該校化工學院張雷教授團隊成功研發「超級塗層」。這種新型塗層能夠為戶外、高空、高寒等環境下的儀器設備穿上「防寒服」，實現高效率、低能耗、無損傷防冰除冰。相關成果已發表於國際權威期刊《化學工程雜誌》。
傳統方法除冰效率低耗能高
在高空高寒環境下，飛機、輸電線路等設備表面結冰常常帶來重大經濟損失，甚至造成災難性事故。目前主流除冰方法有電熱除冰、熱風除冰、機械除冰等。但這些技術方法通常效率低且耗能高。其他基於化學試劑（如噴灑鹽溶液）的除冰方法雖可以降低水的凝固點、減少設備表面的積冰，但對環境有害且對金屬設備表面有腐蝕作用。
如何製備出一種高效、節能、環保且適用於高空高寒環境的防冰、除冰塗層成為科學家面臨的重要挑戰。
「目前比較前沿的塗層材料往往成本較高，或魯棒性（Robustness的音譯，原意為穩健、強壯）比較差，也就是說不夠持久結實，容易被破壞損傷。」研發團隊青年教師楊靜說，「這些設備可能都在戶外環境中，有些還處在比較極端的環境，會遭遇風沙侵襲等，如果塗層的魯棒性與穩定性不好，就會影響長期除冰的效果。」
新材料為防結冰上了「三保險」
張雷團隊另闢蹊徑，利用新型兩親性材料結合光熱碳纖維，研發出一種利用太陽光產熱的「超級塗層」。這種超級塗層融合了可降低冰點的親水鏈段PVP、低表面能材料PDMS、可吸收太陽能的光熱碳纖維，為防止設備表面不結冰上了「三重保險」。
張雷解釋，設備表面結冰，往往是水先附著在材料的表面而後凍結成冰。「我們使用了親水鏈段，它可以束縛水分子，降低水的冰點，相當於延遲了這個過程。」
低表面能材料PDMS具有很低的附著能力，能降低冰雪附著。就像不粘鍋因為有低表面能材料的塗層，所以炒菜的時候能達到不粘的效果一樣。
「我們把親水鏈段和低表面能材料融合，製作成為一種新型兩親性塗料。」楊靜介紹，這兩種材料一個親水一個疏水，我們都知道親水材料和疏水材料是不能互相融合的，就像水和油不能融合一樣。為此，我們將低表面能疏水鏈段兩端接上親水鏈段，形成兩親性嵌段高分子，而後再把這種兩親性高分子「編織」到低表面能材料的交聯網絡中。由於新鏈段中有低表面能鏈段，因此很容易與交聯網絡融合。親水鏈段會遷移到塗層表面，使這種新型塗層同時具備了降低冰點和附著力兩種性能。
而後張雷團隊又把這種兩親性高分子材料與納米碳纖維結合，納米碳纖維的加入不僅可以吸收太陽光產熱除冰，更由於它的疏水性而進一步降低了PDMS基塗層表面的附著力。「新型塗層在太陽光照下，表面溫度可以達到46℃。既可以發熱融冰，又極大降低了冰附著力，僅依靠風力、重力等自然條件，就能使設備表面的覆冰輕鬆脫落。」楊靜說。
工藝簡單成本低穩定性高
實驗結果表明，這種新型塗層穩定性良好，經過30次的循環抗冰測試，冰附著強度都沒有明顯的變化。而且可經受酸雨、落沙的衝刷，甚至可耐受200次砂紙摩擦。楊靜介紹，由於這種新型塗層利用的都是材料本身固有的物理化學性質，而非依賴塗層表面上製備微結構或塗有潤滑油等工藝方法，因此塗層抗冰性能更加穩定，魯棒性更突出。
「這種新型塗層利用了創新性的想法和設計，對於塗層的原料配比和製作工藝還有待優化。」張雷介紹，塗層利用的3種材料成本都不高，製作工藝也更適宜於產業化，因此未來實際應用的前景可期，有望成為高空、戶外等環境下各類大型設備、精密儀器的「防寒服」。「下一步，我們將致力於開發出更極端、惡劣環境下可以維持抗冰效果的塗層，相關工作正在研究過程中。」
——科技日報
科學家發現1500萬年前木乃伊化
南酸棗果化石
中國科學院南京地質古生物研究所19日消息，該所王姿晰博士、史恭樂副研究員、舒軍武副研究員、碩士研究生尹素心與美國芝加哥植物園的同行合作，在福建發現了1500萬年前木乃伊化南酸棗果化石。這也是全球首例具有7個萌發孔的南酸棗屬果化石。該項研究成果已發表於國際古植物學專業期刊《古植物學和孢粉學評論》上。
南酸棗又名五眼果，其果實具有5個萌發孔，有著「五福臨門」的寓意。南酸棗的果實在熱帶雨林中被多種動物食用，種子也被進行多途徑傳播，其中鹿科動物和犀鳥作為主要的食用和傳播者發揮著積極的作用。
南酸棗的果實是由薄果皮、木質內果皮、可食用的中果皮和果肉組成，在中國南方其果肉常被加工成南酸棗糕，是備受人們喜愛的零食。據考古學證據顯示，早在8000多年前，古人就已經開始食用南酸棗，並且喜歡將其果實大量儲存起來。
該研究報導了全球首例具有7個萌發孔的南酸棗屬果化石，並建立了新種福建南酸棗。現生南酸棗屬僅有南酸棗一種，是東亞特有植物。此次福建南酸棗化石的發現表明：中新世時南酸棗屬的形態特徵比現代更為多樣化。事實上，在漸新世時南酸棗屬就已廣泛分布於歐亞大陸，但在中新世大暖期之後，該屬在歐洲便消失了，東亞地區現也僅存一種南酸棗。
古植物學和環境考古資料顯示，南酸棗屬在東亞地區自漸新世以來幾乎保存著連續的記錄。通過古生態學分析顯示，南酸棗屬的生態適應範圍較廣，這個特點可能是該屬在東亞地區一直延續至今的一個重要原因。
生長在玄武巖上的鞘氨醇單胞菌可以浸福建中新世南酸棗果實化石宏觀形態（1-3）及微細結構特徵（4-6）供圖/南京地質古生物研究所