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ScienceCafé in China

體結構演化和相變的原子級成像
Seeing at the atomic scale

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嘉 賓
魏飛,清華大學
王立華,北京工業大學


特約點評
高鵬,北京大學
《原子分辨下跟蹤體結構相變過程:原位透射電子顯微鏡》(近期發布,敬請期待)


主持人
樊巍,Science/AAAS
亞洲區外聯與戰略夥伴發展副總監


Science Café in China

活動簡介
《科學》咖啡沙龍·中國系列是由Science/AAAS主辦的公益科學交流會。每一期選定一個主題,由近期在Science系列雜誌上發文的作者以線上報告的形式分享介紹研究工作,以期待與同行的學術交流,思想碰撞,同時幫助更多其他領域研究者甚至產業界相關工程技術人員了解前沿進展,探討學術與產業融合的機會。

本期沙龍報告的主題為:體結構演化和相變的原子級成像

原子、分子是組成物質的基本單元。正常情況下,原子或小分子的半徑在0.1~10納米尺度範圍,是人眼觀察不到的微觀世界。近年來,隨着先進電子顯微技術的發展,科研人員實現了材料表面,材料體內的原子尺度成像,大力推動了人們對微觀世界的認識。繼上期科學咖啡沙龍討論了掃描探針顯微鏡後,我們將在本期(9月23日)《科學》咖啡沙龍欄目中介紹原位透射電子顯微鏡。兩位科學家將分享報告他們最近在《科學》雜誌上發表的結果,通過原位透射電子顯微技術的應用,材料體內微觀結構的解析甚至相變追蹤被呈現在人們的視覺中。

本次沙龍的語言為漢語,將以Zoom會議+在線直播的方式進行,請感興趣的讀者掃碼報名參加。

時間:
2022年9月23日14:00-15:30


本期專家介紹和報告摘要

魏飛,清華大學化學工程系教授,系學術委員會主任,綠色反應工程與工藝北京市重點實驗室主任。中國顆粒學會常務理事,能源顆粒專業委員會主任。1984畢業於石油大學煉製系有機化工專業,1990年獲石油大學有機化工博士學位。在Science、Nature等雜誌發表論文600餘篇,SCI他引5萬餘次,是克萊恩近七年材料領域高被引科學家之一。獲教育部「長江學者」特聘教授、國家傑出青年基金等。成功實現了千噸級碳納米管在鋰離子電池中的規模應用,實現了氣固下行床催化裂化、高速湍動床甲醇制丙烯、芳烴、苯胺、氯乙烯、丙烯腈、間苯二腈等30台新概念反應器產業化,研究成果獲國家科技進步二等獎、教育部自然科學、技術發明一等獎。


報告題目:iDPC球差技術對分子篩上小分子的原子級成像分析

摘要:

小分子在反應環境下的原子級實空間成像一直是認識物質世界的核心問題。以往的電鏡成像對於有機分子採用冷凍電鏡技術並結合計算分析,可實現2-3埃左右的空間分辯率成像。利用分子篩的主客體納米限域方法,可將小的有機分子通過氫鍵力及范德華力限域在分子篩孔道中,實現不用降溫的單分子冷凍功能,結合最新發展的積分差分相位襯度掃描透射電子顯微技術(iDPC-STEM)可以實現超低電子劑量下有機小分子的皮米級高分辨成像。我們利用化學刻蝕的ZSM-5納米級薄片,對芳烴分子進行原位分析,不僅可以看到對二甲苯單分子在分子篩孔道內的狀態,發現在室溫下分子篩孔道內的分子是准體液晶態存在於孔道中,同時也發現分子篩在單晶胞尺度上小分子的進出不影響其晶胞尺寸,而在亞納米孔道尺度上,則會引起15%以上的形變,這種形變並不能被宏觀平均的XRD等工具探測到,是由於構成分子篩的硅氧四面體頂點形變引起的柔性形變。利用分子篩上的酸性位增強孔內對極性小分子的相互作用,可以在高溫下凍結小的有機分子,如吡啶、噻吩等,並使其在分子篩孔口上穩定地平躺,從而使得電鏡可以在反應條件下原位看見單個小分子並可以區分小分子上每一個元素,同時也可以區分分子篩上的酸性位及強度。這一技術為未來實時研究單原子及小分子的反應、吸附、脫附等過程提供了原子級分辨率手段。


王立華,研究員,博士生導師,國家優秀青年科學基金獲得者。2012年獲得北京工業大學博士學位。2015−2017年,獲得澳大利亞政府資助(Discovery Early Career Researcher Award),在昆士蘭大學(全球排名前50)從事博士後研究工作。入選北京市卓越青年科學家計劃、北京市科技新星、霍英東青年教師基金等人才計劃。長期從事「原子尺度下材料力學行為的原位實驗研究」,在該領域突破多項實驗瓶頸,形成特色。發表論文70餘篇,包括Science 1篇,Nat.Commun. 5篇,Phys. Rev. Lett. 2篇,Nano Lett. 4篇,Acta Mater. 4篇,ACS Nano 4篇,Scripta Mater. 6篇等,被國際同行引用4000餘次,獲批專利4項。獲2020年度國家自然科學二等獎(排名第三),2016年北京市科學技術獎一等獎(排名第五),北京市卓越青年科學家計劃,郭可信優秀青年學子獎等。承擔國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金優秀青年基金、國家自然科學基金面上等10多項國家及省部級項目。


報告題目:晶界塑性變形原子機制的原位研究

摘要:

晶界是多晶材料的基本結構單元,其塑性行為直接影響多晶材料的強度、韌性等關鍵力學性能。晶界塑性是多晶材料中重要的變形機制,幾十年來,儘管研究者使用各種方法研究晶界的塑性變形機制,但晶界滑移的原子機制仍不清楚,主要是因為缺乏有效的實驗方法和科學儀器,使得跟蹤變形過程中晶界處的原子運動極其困難。理論模型和模擬針對一些特殊的重合位置點陣晶界(高對稱晶界)進行研究,為理解晶界塑性變形的原子機制提供了重要參考。但由於缺乏直接的實驗方法和實驗證據,晶界滑動塑性的原子機制存在很多不確定性。團隊利用北京工業大學固體所原創的原子分辨原位力學實驗研究裝置(目前已成功實現專利轉化Bestron INSTEM),首次實現了多晶中普通晶界滑移,轉動過程的直接的原子尺度動態研究。發現晶界滑移,轉動過程中,晶界原子陣列合併消失、分裂出新原子陣列、原子遷移等多種新型的擴散機制,這些機制在之前的理論中尚未被預測,更新了人們對晶界滑移原子機制的認知,解決了長期困擾該領域的科學難題。該發現展示了原子分辨的原位力學實驗技術研究晶界變形機制的巨大潛力,並為原子分辨的實驗和理論模型之間的信息互補提供了新的機遇。







主持人:樊巍博士現任Science/AAAS外聯與戰略夥伴發展副總監,負責Science系列期刊內容的宣傳推介,高影響力論文的寫作宣講,Science Café系列報告會的策劃合作以及Science商務活動介紹。在加入Science/AAAS之前,他在Nature系列期刊的Nature Communications期刊擔任高級編輯,負責凝聚態物理領域的稿件審理,開展高影響力論文的寫作宣講,自然會議組織以及自然大師講堂課程講座等活動。在從事編輯工作之前,他在中國科學院獲得凝聚態物理學博士學位,並在日本國立理化學研究所(RIKEN)從事科學研究。


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