鑽石舞台

TED英語演講課

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具有高度激發電子的原子，稱為Rydberg原子，可以形成不同尋常的分子鍵。這種鍵與眾所周知的離子鍵和共價鍵的區別，不僅在於它們的結合機制，而且還在於它們的鍵長可達幾微米。

在此，來自德國斯圖加特大學的Tilman Pfau等研究者，觀察到一種新型的分子離子，其基於離子電荷與鍵長為幾微米的里德堡原子的翻轉誘導偶極子之間的相互作用。相關論文以題為「Observation of a molecular bond between ions and Rydberg atoms」於2022年05月18日發表在Nature上。

原子和分子氣體中的超冷溫度，使得一個新的化學分支的形成成為可能，在這個分支中，人們已經觀察到了新的原子之間的弱結合機制。例子包括Feshbach分子，Efimov態，少體碰撞複合物和超長距離Rydberg分子。其中，最後一種包括通過高度激發的Rydberg電子和極化基態原子之間的散射形成的Rydberg基態分子，以及由兩個Rydberg原子通過范德華相互作用組成的Rydberg大二聚體。這種遠距離相互作用和相應的誇張鍵長(比基態原子的大小高出幾個數量級)，使光學顯微鏡和帶電粒子光學能夠進行空間分辨探測。這些檢測方案，使得研究Rydberg封鎖、Rydberg空間相關性和多體狀態，以及檢查Rydberg大二聚體等性質成為可能。

隨着能夠控制浸沒在超冷中性原子中的冷離子的實驗技術的出現，弱束縛中性分子的研究，可以擴展到分子離子。在此背景下，此文的研究從理論上提出了一種新的Rydberg分子，它由一個離子和一個Rydberg原子組成。這種結合機制是基於里德堡原子的翻轉偶極子與離子周圍電場的相互作用。

當電子Rydberg態(|e\rangle)被離子的電場Eion極化時(圖1a)， Rydberg態在能量上發生變化，並形成在波恩-奧本海默近似中描述的相互作用勢。在銫和銣的情況下，量子缺陷和高密度的態，導致避免了勢曲線之間的交叉。

具體來說，P態形成勢阱，在勢阱周圍偶極子的方向可以翻轉，從而形成束縛分子態。這種分子離子的鍵長，通常可達幾微米，在這種大鍵長下，結合深度可能達到千兆赫級。這些性質允許在超冷氣體中控制分子離子的生成和離子光學的直接觀察。對於先前描述的大多數非常大的新分子，與普通分子相比，振動動力學明顯減慢，導致振動頻率在兆赫範圍內。對於更小的核間距離，使相鄰流形交叉和離子與里德堡原子之間的電荷交換成為可能，從理論上研究了鍶分子離子態，並提出了電荷動力學的觀測方法。此外，在氫中可以觀察到一種不同的分子離子，儘管沒有量子缺陷存在。

圖1. 分子結合機制及實驗序列

為此，研究者報道了對這類分子離子的觀測。研究者分析了Rydberg -原子-離子分子的振動譜，這與他們的理論預測非常吻合。此外，研究者還利用離子顯微鏡對分子的徑向範圍和角度排列，進行了空間解析。這種排列顯示了對用於光結合分子的激光偏振的依賴。此外，研究者利用離子顯微鏡的空間分辨率進行飛行時間質譜分析，表明激發態是真正的束縛分子態。研究者測量振動譜，並利用高分辨率離子顯微鏡，在空間上解析了分子的鍵長和角對準。由於鍵長較大，分子動力學非常緩慢。這些結果，為分子動力學(例如，超越Born-Oppenheimer物理學)的時空效應的未來研究鋪平了道路。

圖2. 束縛振動態的勢能曲線和實測譜的計算

圖3. 質譜

圖4. 分子的原位測量

簡而言之，研究者用離子顯微鏡觀察到離子和里德堡原子之間的一種新型分子鍵。測量到的離子分子的振動結構與理論預測非常吻合，並且應該在其他具有類似量子缺陷的原子種類中被觀察到。大的空間結構降低了分子的振動和旋轉時間尺度。這些奇異的性質與研究者的高分辨率離子檢測方案相結合，允許對這些分子進行原位觀察，並可能使分子勢內的波包動力學的直接空間分辨觀察成為可能。

文獻信息

Zuber, N., Anasuri, V.S.V., Berngruber, M. et al. Observation of a molecular bond between ions and Rydberg atoms. Nature 605, 453–456 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04577-5

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04577-5

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第一作者：周世豪碩士研究生（南京師範大學）

通訊作者：尹中龍講師（南京師範大學）

論文DOI: 10.1016/j.watres.2022.118635

圖文摘要

成果簡介

近日，南京師範大學楊維本教授團隊尹中龍博士在Water Research上發表了題為「Defective MOFs-based electrocatalytic self-cleaning membrane for wastewater reclamation: enhanced antibiotics removal, membrane fouling control and mechanisms」的研究論文(DOI: 10.1016/j.watres.2022.118635)。該論文為解決城市污水再生過程中超濾膜（UF）對抗生素的去除性能差和膜嚴重污染問題，通過將缺陷鋯基金屬有機骨架（D-UiO-66）和導電石墨顆粒摻入PVDF基體中製備一種新型陽極膜（D-UiO-66/Graphite/PVDF），考察其在不同通電模式下其對抗生素的去除率與膜污染控制性能。D-UiO-66/Graphite/PVDF具有較高的電催化活性，可實現高效去除抗生素（四環素、諾氟沙星、泰樂菌素和磺胺甲惡唑）和良好的殺菌性能。此外，其還表現出優異的抗污染、自清潔能力與電化學穩定性。電催化膜分離過程無需添加化學試劑且能量消耗較低，在城市污水再生利用、保障再生水水質安全等方面具有潛在的應用前景。

全文速覽

針對傳統超濾膜對抗生素的去除性能差和膜嚴重污染等問題，通過調節劑調控制備具有不同缺陷程度的UiO-66，並將其用於構築電催化膜（D-UiO-66/Graphite/PVDF），去除模擬和實際城市污水中的抗生素，並探究其殺菌、抗污染與電驅動自清潔等性能。表徵了電催化膜的孔結構、物理化學性質與電化學性質，揭示了電催化膜活性提升的原因，闡明了膜去除抗生素與自清潔性能的機制，最後探究了電催化膜運行的穩定性。

引言

超濾膜技術在城市污水再生回用中的應用潛力巨大，然而，傳統超濾膜無法截留城市污水中頻繁出現的小分子抗生素類新污染物，並且膜污染問題突出。為應對上述挑戰，近年來電催化氧化與膜分離耦合技術受到廣泛關注，其中電催化劑的選擇至關重要。金屬有機框架 (MOFs)具有比表面積大、活性位點多和結構易於調控等優點，在電催化領域得到應用。然而，MOFs缺乏暴露的催化活性位點，導致其在降解污染物中的電催化活性通常較低。通過缺陷工程可有效提高MOFs的電催化活性，有望改善其電催化性能，賦予膜新的功能。

圖文導讀

膜的物理化學性質

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IT之家的家人們，周末好呀，我是你們滴雨仔～

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