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导读
近日，中科院大连化物所杨学明院士、肖春雷研究员实验团队联合张东辉院士、张兆军副研究员理论团队，在实现化学反应的立体动力学精准调控研究方向上取得重要进展；中科院化学研究所活体分析化学院重点实验室于萍和毛兰群团队在纳流体仿神经功能取得重要进展；东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室王国栋院士/袁国教授研究团队在超高强钢铁材料增塑机制及组织创新设计方面取得最新进展，以上相关研究成果均发表在Science上。
中科院大连化物所实现化学反应的立体动力学精准调控
化学反应无处不在。如何精确调控化学反应是化学科学研究的核心目标之一。在化工生产过程中，工程师们通过添加催化剂、改变化学过程的温度、压力等宏观参数，可以在一定程度上控制化学反应，得到所需的化学反应产物。随着人类对化学反应的认识不断深入到原子分子尺度和量子态的层面，如何在微观水平上进一步发展精确调控化学反应的原理和方法，成为许多科学家孜孜以求的目标。
近日，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“中科院大连化物所”）杨学明院士、肖春雷研究员实验团队联合张东辉院士、张兆军副研究员理论团队，在这一研究方向上取得重要进展，通过控制分子化学键方向，实现了化学反应的立体动力学精准调控。相关成果于北京时间1月13日以长文（research article）的形式发表在《科学》（Science）杂志上。审稿人对于该工作给予了高度评价，认为它是反应动力学领域里程碑式的突破（a milestone in the field of reaction dynamics）。
化学反应的实质是原子、分子等微观粒子相互碰撞并引发旧化学键断裂、新化学键形成的过程。立体动力学效应是化学反应中一个基础而重要的问题，关注的是碰撞过程中反应物分子的空间取向对反应过程有何影响。立体动力学效应的根源在于反应物分子并非简单的质点，而是有着具体的结构和形状。例如，氢分子由两个氢原子通过共价键连接形成，就像一个“哑铃”。因此，当另一个反应物与氢分子发生碰撞时，它从氢分子的一端发起攻击，或者直接攻击氢分子的共价键，这两种情况的反应几率和相应的动力学过程可能会表现出明显的差别。一直以来，如何利用化学反应中的立体动力学效应，实现对化学反应过程和结果的精细控制，是化学动力学研究中的前沿问题之一。
氢分子是最简单的分子，并且其是非极性双原子分子，在与另一分子相互接近的过程中，不容易发生取向变化。因此，氢分子参与的基元化学反应是研究立体动力学效应的理想模型。但一直以来，人们难以在实验上制备足够数量的具有特定取向的氢分子，因此无法研究相关反应中的立体动力学现象。
针对这个挑战，杨学明、肖春雷实验团队研制了高能量、单纵模纳秒脉冲光参量振荡放大器，实现了对氢分子的立体动力学调控。团队通过在受激拉曼激发过程中操控激光光子的偏振方向，在分子束中将氢分子制备于特定的振转激发态，同时赋予氢分子的化学键特定的空间取向。
图一：用激光控制HD分子化学键的方向，使其以两种构型与H原子发生碰撞。z轴为HD分子和H原子的相对运动方向。利用激光，研究团队可以将HD分子制备于两种不同的碰撞构型：在第一种构型中，HD的键轴分布平行于z轴（左图）；在另一种构型中，HD的键轴分布垂直于z轴（右图）。用于受激拉曼激发的泵浦光、斯托克斯光激光沿y轴方向传播，绿色、红色双箭头表示它们的偏振方向。
进一步地，利用基于极紫外激光技术的态—态分辨氢原子里德堡态飞行时间谱探测方法，结合交叉分子束技术，实验研究团队仔细测量了在0.50 eV、1.20 eV、2.07 eV三个碰撞能量下，两种不同构型的氢氘分子（HD）与氢（H）原子的H+HD→H2+D反应结果，发现产生的氢分子（H2）的量子态和散射角度分布存在显著的立体动力学差异。
图二：在0.50 eV碰撞能下，两种不同的碰撞构型的H+HD→H2+H反应的微分反应截面差异非常明显（左列：通过交叉分子束实验测量得到；右列：通过量子动力学理论模拟得到）。图中不同圆环代表不同振转态的H2分子产物，圆环的高度代表在相应的散射方向上的H2分子产物的相对数量。
为了理解其中的动力学过程，张东辉、张兆军理论团队开展了非绝热量子动力学模拟，精确重现了实验所观测到的现象，并结合极化微分截面理论方法，详细分析了该反应中存在的立体动力学效应，揭示了量子干涉现象在垂直碰撞构型反应中发挥了重要的作用。
“之前的化学反应研究可能像‘抽盲盒’，它是由本来的量子属性决定好的，科研人员不能随便控制，我们只能有一定的概率抽取到想要的结果。”张东辉说，“但现在我们可以通过精确的控制，激发特定化学键并控制它的方向，直接得到自己想要的结果。”
该工作通过高精度的实验和理论研究，验证了通过氢分子量子态空间取向的操控，可以对化学反应进行精细调控，表明了人类对化学反应的认识和调控达到了一个新的高度。
该论文的共同第一作者是中科院大连化物所博士后王玉奉和黄嘉宇。相关研究工作得到了科技部科技创新2030重大项目、国家自然科学基金、中国科学院科研仪器设备研制项目等的支持。
研究人员在控制氢分子化学键取向的激光器前工作
文章链接：http://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7471
中科院化学所于萍和毛兰群团队纳流体仿神经功能研究成果
近日，中科院化学研究所活体分析化学院重点实验室于萍和毛兰群团队发展了一种聚电解质限域的流体忆阻器，利用单个器件首次实现了神经化学信号与电信号转导的模拟。该研究为发展类化学突触功能器件、神经智能传感、神经形态计算以及神经假肢等提供了新的思路。
大脑的功能与化学信号密切相关。然而，目前的仿突触器件只能实现对电信号的识别，很难直接感知化学信号。制备具有化学信号响应功能的人工突触成为神经智能传感与模拟等领域的科学难题之一。
在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，化学研究所活体分析化学院重点实验室于萍和毛兰群团队发展了一种聚电解质限域的流体忆阻器，利用单个器件首次实现了神经化学信号与电信号转导的模拟。该研究为发展类化学突触功能器件、神经智能传感、神经形态计算以及神经假肢等提供了新的思路。
图. 神经元(A)和钠流体忆阻器(B)示意图
该研究团队在长期从事脑神经电分析化学和限域离子传输研究的基础上，提出了基于限域流体器件发展仿神经突触功能的构思。他们构建了聚电解质限域流体体系，发现此体系具有忆阻器的特征，进而利用溶液中对离子在聚电解质刷限域空间内的传输，实现了器件的记忆效应，成功模拟了多种神经电脉冲行为。相比于传统固体器件，他们所发展的流体器件具有可与生物体系相比拟的工作电压和功耗。更重要的是，基于流体体系的特征，此器件可以在生理溶液中模拟神经递质对记忆功能的调控，模拟了突触可塑性的化学调控行为。进一步，他们利用聚电解质对不同对离子的识别能力，实现了神经化学信号与电信号之间转导的模拟，在化学突触的模拟研究中迈出了关键的一步。相关研究结果发表在Science.（2023,379,156-161）上，文章第一作者是博士生熊天逸，通讯作者为于萍研究员和毛兰群教授，完成单位为中国科学院化学研究所、中国科学院大学、湘潭大学和北京师范大学。
东北大学Science：超高强钢领域实现新突破
2023年1月13日，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室王国栋院士/袁国教授研究团队在国际顶级期刊Science上以“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”为题，发表了在超高强钢铁材料增塑机制及组织创新设计方面的最新研究成果。
同时提升强度和塑性，是钢铁材料领域长期以来存在的重大理论难题，也是从基础研究到技术创新和应用实践的瓶颈。尤其当强度达到2000 MPa级别时，塑性出现断崖式下降，均匀延伸率普遍低于10%，其根本原因在于传统马氏体的初始高密度位错难以继续增殖，且无序排列的几何取向结构微观塑性变形极不均匀，容易产生局部应力/应变集中。因此，探索新的增塑机制，以节约型合金设计和简单高效的制备工艺，获得低成本高塑性的2000 MPa超高强钢仍然是巨大挑战。
面对上述挑战，研究团队创新提出“马氏体拓扑学结构设计+亚稳相调控”协同增塑新机制，成功制备出系列低成本C-Mn系新型超高强钢，打破了超高强钢对复杂制备工艺和昂贵合金成分的依赖，也突破了现有2000 MPa级马氏体高强钢抗拉强度—均匀延伸率的性能边界。同时，提出简单高效的制备工艺路线，构筑出一种全新的拓扑学双重有序排列的马氏体和多尺度亚稳奥氏体的纳米级多层次组织结构。该组织结构通过在变形过程中诱发板条界面（in-lath-plane slip）位错滑移、界面塑性和相变诱发塑性（TRIP）等多种增强增塑机制，促使材料具有持续较高的加工硬化能力，大幅度提升其强度和塑性，实现了1600~1900 MPa屈服强度，2000~2400 MPa抗拉强度和18%~25%均匀延伸率的极致性能。
图1 新型超高强钢的组织结构设计
图2 新型超高强钢与其他超高强钢的拉伸性能对比
突破金属材料性能极限是近年来材料领域研究的热点与难点，该研究提出了马氏体/奥氏体多层次结构设计新理念，充分挖掘材料潜力，加深了对马氏体结构调控以及变形机理的理解和认识，对推动低成本、大尺寸超高强塑性钢铁材料的制备和应用具有重大现实意义。该研究不仅对于钢铁材料，也为其他超高强塑性金属材料的开发制备提供了新的研究思路。
该论文作者为李云杰、袁国、李琳琳、康健、阎丰凯、杜鹏举、Dierk Raabe、王国栋。第一作者李云杰为东北大学轧制技术及连轧自动化 国家重点实验室博士后，轧制技术及连轧自动化国家重点实验室袁国教授、李琳琳教授，德国马普钢铁研究所Dierk Raabe教授为论文的共同通讯作者。东北大学为第一完成单位，中国科学院金属研究所、中信泰富特钢兴澄特钢研究院及德国马普钢铁研究所为合作参与单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本业务费及中国博士后科学基金等项目资助。
东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室长期开展先进钢铁材料及其加工工艺技术的研究工作，注重高水平科研平台建设，聚焦本领域科技前沿，推进国际化合作与交流，强化高水平人才培养，同时注重应用需求牵引，持续深化基础研究工作。近年来，相继在高质高端钢铁材料、绿色加工工艺、数字化钢铁技术等基础理论研究与关键技术创新方面不断取得新突破。
全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7857
来源：中科院大连化物所、东北大学、中科院化学所
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