《【Science】超快光学技术揭示液体双电层形成机制》

  • 来源专题:新能源汽车
  • 编译者: 王晓丽
  • 发布时间:2025-04-27

  • ?研究机构?:马克斯·普朗克学会、马克斯·普朗克聚合物研究所(MPI-P)、维也纳大学

    ?研究人员?:Mischa Bonn、Alessandro Greco等

    ?研究内容与成果?:

    研究团队开发了一种基于超快激光的光学技术,首次直接观测液体中双电层(EDL)的纳米级动态形成过程。双电层是界面(如电池电极、生物细胞膜)附近正负电荷分离的关键结构,其形成速度直接影响储能设备充放电效率。

    实验中,团队通过向水中添加酸生成H?O?离子,利用强红外激光脉冲加热界面并扰动双电层,随后通过延迟激光脉冲探测反射光信号,量化离子重新平衡的动力学。结合分子动力学模拟发现,?即使在高浓度离子条件下,双电层形成仍由电场主导?,且与经典理论预测高度吻合。

    ?创新与意义?:

    突破传统电子测量技术的时间分辨率限制(亚皮秒级),首次揭示双电层形成的超快机制;验证现有理论模型在复杂体系(如生物膜、高浓度电解液)中的普适性;为优化储能设备(如超级电容器、锂离子电池)和生物能量转换系统提供新思路。该成果解决了长期困扰学界的高浓度离子体系双电层动力学争议,证明简单物理模型可描述复杂界面过程,为跨尺度界面研究开辟新途径。




    原文链接:Alessandro Greco et al, Ultrafast aqueous electric double layer dynamics, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu5781

  • 原文来源:https://phys.org/news/2025-04-ultrafast-optical-technique-reveals-electrical.html
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    • 编译者:魏韧
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    • 一个国际科学家团队首次利用软X射线自由电子激光FLASH并结合理论计算的方法,在氧化物光催化剂表面,对诱导一氧化碳转化为二氧化碳的光进行实时研究。他们发表在ACS Catalysis杂志上的成果显示,一氧化碳到二氧化碳的光转化发生在超快光学激光脉冲触发反应后的1.2到2.8皮秒之间。 光催化剂能促进由光触发的化学反应,具有一系列潜在的应用,包括空气和水净化以及自表面清洁。为确保能够有效使用光催化剂并优化其性能,了解活性光催化剂表面上的早期光动力学至关重要。 二氧化钛是最具工业应用前景的光催化剂之一。目前该研究小组利用FLASH自由电子激光的超短激光脉冲对其进行研究。将二氧化钛暴露在一氧化碳和氧气的混合气体中,将波长770纳米的光学激光与FLASH飞秒X射线激光脉冲同步。光学激光脉冲触发一氧化碳的光催化氧化过程,而FLASH脉冲则被用于实时研究表面上的反应动力机制,利用FLASH的超导射频加速器技术,能够在皮秒时间尺度上直接实时跟踪光反应。 利用软X射线光电子能谱,可以较高的表面灵敏度识别单个化合物。通过收集光反应触发后特定时间内的一系列光电子能谱,该团队得以监测光电子能谱的演变,并观察新化合物的形成瞬态。该小组在研究结果基础上进行假设,在光照后最初的1.2皮秒内,发生氧活化过程,电子从氧化钛表面转移到吸附在表面的氧分子上。在光照后1.2到2.8皮秒之间,观察到由一氧化碳氧化而成的二氧化碳。 不来梅大学计算材料科学中心(BCCMS)和马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的科学家合作进行理论预测,氧吸附在光催化剂表面导致电荷转移复合物(charge transfer complex)的形成。这意味着在光子能量为1.6 eV(770 nm)的激光照射下,电子从二氧化钛直接转移到吸附于其表面的氧气上,可以触发反应。 研究可能开辟一条新的研究途径,即利用软X射线自由电子激光研究催化剂表面光反应关键的第一步,这也是汉堡超快成像中心卓越集群的研究课题之一:先进的物质成像技术。
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    • 编译者:hujm
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    • 在一项新的研究中,德国慕尼黑大学的Veit Hornung及其团队证实在皮肤细胞中发现的一种称为NRLP1的蛋白能够识别病毒复制过程中形成的特定核酸中间物。这种识别过程随后会诱发一种强有力的炎症反应。相关研究结果于2020年11月26日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Human NLRP1 is a sensor for double-stranded RNA”。 区分自我和潜在有害的非自我的能力对有机体维持完整性和存活下来至关重要。在大多数有机体中,所谓的先天免疫系统负责识别这样的入侵者(非自我)。在执行这一任务的蛋白中,有一类称为炎性体传感蛋白(inflammasome sensor)的蛋白。一旦被激活,这些传感蛋白就会形成炎性体复合物,然后引发一系列炎症反应,在某些情况下会导致感染细胞的死亡。 在这项新的研究中,Hornung团队与慕尼黑工业大学和马克斯-普朗克生物化学研究所的同事们合作,如今证实在皮肤细胞中发现的一种这样的传感蛋白直接与某些RNA病毒复制过程中产生的特定分子结构结合。这些新发现强调了上皮细胞作为抵御入侵病原体屏障的重要性。 NRLP1蛋白是第一个被发现和表征的炎性体传感蛋白。Hornung说,“然而,到目前为止,NLRP1是否真地作为非自身分子的直接传感蛋白发挥作用仍不清楚。”在人类中,NLRP1主要存在于称为角质细胞的细胞中,这些角质细胞形成了皮肤的外层,并作为抵御细菌和病毒的物理屏障。在这项研究中,这些研究人员首先测试了这些细胞对具有不同复制机制的病毒作出的反应,并确定了一种称为塞姆利基森林病毒(Semliki Forest Virus, SFV)的病毒,它强烈地激活NLRP1。论文第一作者Stefan Bauernfried说,“已知具有屏障功能的其他细胞,如支气管上皮细胞,也通过激活NLRP1对这种病毒作出反应,因此这似乎是一种普遍现象。” SFV病毒最早是在乌干达发现的,并作为病毒学中有用的实验模型。它主要存在于啮齿类动物中,尽管它也可以通过蚊子传播给人类。SFV是一种单链RNA病毒,即它的由单链RNA组成的遗传物质被包装在病毒衣壳中。然而,病毒复制的过程需要合成一条互补链,它与亲本链配对产生双链RNA。双链RNA作为复制中间物的形成是许多病毒的特征。但是,这样的结构通常不会出现在高等生物的细胞中,这使得它们成为先天免疫系统识别的良好候选对象。事实上,生化实验证实,NRLP1能够特异性地结合双链RNA。Bauernfried解释说,“这种类型的传感蛋白很难研究,这是因为它们有形成聚集物的倾向。尽管如此,我们还是能够纯化NLRP1构造体,我们接着证实它直接与双链RNA结合并被双链RNA激活。” 综上所述,这些发现表明,NLRP1是识别皮肤等屏障组织中病毒感染的关键因素。它可能对检测没有最佳适应潜在宿主的病毒特别重要。它是否以及在多大程度上也参与了对人类具有致病性的其他病毒的检测,目前还不清楚。Hornung提出,“适应性良好的病毒获得了抑制这种特殊反应机制的能力,这并不是完全不可能的。这是我们打算在未来的研究中探索的一个问题。”