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新闻公告


上海光源用户研究近期进展

2015/10/31 | 【 【打印】【关闭】
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1、玻璃化转变的结构机制

    上海交通大学物理与天文系王宇杰研究近日组在《自然-通讯》[Nat. Commun., 6, 8409 (2015)]杂志上发表了题为“Structural origin of hard-sphere glass transition in granular packing system”的论文。

    关于玻璃化转变的机理存在非常多的理论,迄今没有公认的解答。传统意义上,玻璃化转变温度的高低与体系的降温速度有关,因此一般使用转变来表明其不是一个严格定义的热力学相变。过去20几年的研究发现在玻璃化转变温度附近会有动力学的协同效应(dynamic heterogeneity)的出现,表明玻璃化转变可能是一种动力学相变。但另一方面,在转变温度附近一些热力学量存在着一定程度的跃变,而且体系的弛豫时间和位形熵满足经验的Adam-Gibbs关系,这又暗示着玻璃化转变与普通的热力学相变存在一定联系。玻璃化转变是否是热力学相变,其是否是类似于晶体结晶过程是一个结构相变一直是困扰凝聚态物理研究的一个核心问题。

    颗粒体系是研究玻璃化转变问题的一个重要的模型体系,在玻璃研究尤其是金属玻璃体系中有很重要的影响。事实上,早在上世纪六十年代,著名的英国科学家J.D. Bernal就率先利用球形颗粒堆积来模拟液体和玻璃结构,并且深刻地洞见了其中的联系(图1)。不同于基于分子原子玻璃体系的实验研究,宏观模型体系具有非常类似的物理过程,但是由于其单元具有宏观大小,可以允许对体系进行微观结构、动力学和热力学的研究,对揭示玻璃转变的物理机制具有非常大的优势。

    在上述研究工作中,王宇杰研究组利用上海光源13W线站的同步辐射高速CT成像技术,对三维的颗粒堆积体系的微观结构及动力学进行了实空间的成像。研究发现颗粒体系中的玻璃化转变可能是非常类似于晶体结晶过程的一种特殊结构相变,其对应的玻璃结构序是一种局部紧密堆积的四面体结构,这些四面体结构可以生长形成具有分形结构的团簇,同时其形状及大小的增长符合位形熵驱动的成核模型,这些都非常类似于快速降温的晶体生长模型。同时他们也发现结构对关联函数对该种结构序非常不敏感,这也解释了为何长期以来学术界“公认”玻璃化转变不对应于结构上的太大变化,因为过去几乎所有的玻璃结构研究都基于散射技术(结构对关联函数的傅立叶变换)。

    该项研究表明玻璃化转变也许是类似于结晶过程的一种普通结构相变,为玻璃化转变这一困惑了学术界近50年的问题的最终解决提供了非常重要的实验证据。


图1 J. D. Bernal和他的球堆模型


图2 颗粒体系中四面体结构形成的团簇,从(a)到(d)体系堆积密度逐渐减小。

2、深海热液焦土沉积体生物成矿机理研究

    深海焦土(Umber)矿床是一种形成于深海环境、富含铁氧化物和锰氧化物的金属矿床。焦土一般呈现红褐色,因其中锰氧化物的百分含量不同,其颜色可从黄色、红褐色变化到灰黑色。数十年来,围绕深海焦土矿床的成因一直存在争议,“生物成因说”与“化学成因说”是其中争论的焦点。

    中国科学院三亚深海科学与工程研究所(筹)深海科学部彭晓彤研究员课题组与上海光源软X射线谱学显微线站密切合作,利用扫描透射显微技术(STXM)和X射线近边吸收精细结构谱学技术(XANES)结合高精度纳米粒子探针、高精度电子显微观察、分子生物学等技术,对取自南大西洋洋脊现代海底热液活动区的焦土沉积体进行了深入研究,获取了焦土中的铁氧化物和锰氧化物生物成因的直接证据,提出化能自养铁氧化菌和异氧锰氧化菌协同作用是导致深海焦土矿床形成的主要原因。(Geochimica et Cosmochimica Acta, Volume 169, 15, 200–216)研究中,基于同步辐射的XANES技术能够有助于指示微区铁氧化物和锰氧化物矿物种类分布。焦土沉积体中Mn的近边谱图结构同生物成因的水钠锰矿和δ-MnO2相近。在铁的L2,3的XANES结合选区电子衍射说明含铁矿物是生物成因的二线水铁矿。同步辐射实验结果从元素和矿物学角度证明了铁氧化过程和锰氧化过程的协同作用,研究成果进一步加深了人们对地微生物学作用影响深海多金属矿床形成的认识。


Synchrotron-based soft X-ray dual-energy contrast image of a Fe–Mn spheroid and correlated X-ray adsorption near edge structure (XANES) spectra.

3、金属纳米阵列的表面增强拉曼散射研究

    一些金属纳米结构在与光相互作用时会产生局域表面等离子体共振,这种表面等离子体激发能够产生非常特殊的光电性质。例如,一些特殊的纳米结构可导致局域光电场的显著增强,这使得所吸附探针分子的拉曼散射强度增强几个至十几个数量级,这是实现表面增强拉曼散射(SERS)的有效途径之一。近期,上海光源邰仁忠课题组与上海科技大学陈刚课题组密切合作通过调控金纳米等离子体结构的尺寸和形貌,建立了纳米金结构与其表面等离子体共振的定量关系,优化了探针分子表面增强拉曼散射的探测。相关研究成果于近期发表于纳米科学权威期刊Nanoscale杂志(Nanoscale, 2015, 7, 15487-15494)。

    纳米金阵列作为SERS活性基底因其分子探测追踪和识别的快速性以及灵敏性在生物医学,农业及环境等方面具有广泛的应用前景,主要用于恶性细胞(肿瘤细胞和癌变细胞)、水果残留农药和一些危险性炸药粉末的探测,而其物理化学性质高度依赖金属纳米结构的尺寸大小及表面形貌。因此,如何在纳米尺度对其结构进行精细调控引起了研究者的广泛关注。上海光源李文琴等基于BL08U1B XIL线站及后处理实验室的附属设备,利用光刻技术成功地调控了金纳米等离子体结构的尺寸和形貌,获得了精确结构和高度有序的纳米金阵列活性基底,系统地解析了尺寸和形貌对SERS信号的影响,首次制备了一种新型的SERS活性基底即杂化金纳米结构(有序结合无序的金纳米结构),极大的改善了探测分子的拉曼信号强度。结合实验及精确的光学模拟,建立了纳米金的精细结构与其局域表面等离子体(LSPR)特性的定量关系。研究表明这些优化的纳米金等离子体阵列表现出很强的局域表面等离子体耦合,具有显著的表面拉曼增强效应(SERS),有望成为一种高灵敏的SERS生物传感器。

 
图FDTD模拟计算空间电场的分布以及不同形貌纳米金阵列基底的SERS比较

 

 

 

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