【导读】
量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂物理系统的规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统，可以对复杂系统进行精确的全方位研究，因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。
中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作，在超冷原子分子混合气中首次合成三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出重要一步。
超冷分子将为实现量子计算打开新的思路，并为量子模拟提供理想平台。但由于分子内部的振动转动能级非常复杂，通过直接冷却的方法来制备超冷分子非常困难。超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了一条新的途径。人们可以绕开直接冷却分子的困难，从超冷原子气中利用激光、电磁场等来合成分子。
利用光从原子气中合成分子的研究可以追溯到上世纪八十年代。激光冷却原子技术的出现使得光合成双原子分子得以快速的发展，并在高精度光谱测量中取得了广泛的应用。在光合成双原子分子取得成功之后，人们开始思考能否利用量子调控技术从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子。在2006年发表的综述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美国国家标准局的Paul Julienne教授等人回顾了光合成双原子分子过去二十年的发展历史，并指出从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子是未来合成分子领域的一个重要研究方向。由于光合成的双原子分子气存在密度低、温度高等缺点，一直无法用来研究三原子分子的合成。后来随着超冷原子气中Feshbach共振技术的发展，利用磁场或射频场合成分子成为制备超冷双原子分子的主要技术手段。从超冷原子中制备的双原子分子具有相空间密度高、温度低等优点，并且可以用激光将其相干地转移到振动转动的基态。自2008年美国科学院院士Deborah Jin和叶军的联合实验小组制备了铷钾超冷基态分子以来，多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来，并被广泛地应用于超冷化学和量子模拟的研究中。
超冷基态分子的成功制备重新唤起了人们对合成三原子分子的研究兴趣。2015年，法国国家科学研究中心的Olivier Dulieu教授等在理论上分析了从原子双原子分子混合气中合成三原子分子的可行性 [Phys. Rev. Lett. 115, 073201 (2015)]。 但由于三原子分子的相互作用极其复杂，无法精确计算，因而理论上无法预测三原子分子的束缚态的能量以及散射态和束缚态的耦合强度。中国科学技术大学的研究小组在2019年首次观测到超低温下原子和双原子分子的Feshbach共振，相关成果发表于《科学》杂志 [Science 363, 261 (2019)]。在Feshbach共振附近，三原子分子束缚态的能量和散射态的能量趋于一致，同时散射态和束缚态之间的耦合被大幅度地共振增强。原子分子Feshbach共振的成功观测为合成三原子分子提供了新的机遇。但由于原子和分子的Feshbach共振非常复杂，理论上难以理解，能否和如何利用Feshbach共振来合成三原子分子依然是实验上的巨大挑战。
在该项研究中，中国科学技术大学研究小组和中科院化学所的研究小组合作，首次成功实现了利用射频场相干合成三原子分子。在实验中，他们从接近绝对零度的超冷原子混合气出发，制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子。在钾原子和钠钾分子的Feshbach共振附近，通过射频场将原子分子的散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。他们成功地在钠钾分子的射频损失谱上观测到了射频合成三原子分子的信号，并测量了Feshbach共振附近三原子分子的束缚能。这一工作为量子模拟和超冷化学的研究开辟了一条新的道路。
超冷三原子分子是模拟量子力学下三体问题的理想研究平台。三体问题极其复杂，即使经典的三体问题由于存在混沌效应也无法精确求解。在量子力学的约束下，三体问题变得更加难以捉摸。如何理解和描述量子力学下的三体问题一直都是少体物理中的一个重要难题。
此外，超冷三原子分子可以用来实现超高精度的光谱测量，这为刻画复杂的三体相互作用势能面提供了重要的基准。由于计算势能面需要高精度地求解多电子薛定谔方程，超冷三原子分子的势能面也为量子化学中的电子结构问题提供了重要的信息。
论文信息：
标题：Evidence for the association of triatomic molecules in ultracold 23Na40K + 40K mixtures
出版信息：Nature，09 February 2022
DOI：10.1038/s41586-021-04297-2
2
改变一小步，突破不可能——让柔性电子设备兼具柔韧、更贴合
【导读】
柔、韧兼具，既像丝绸一样贴合，又像橡胶一样可展，是人们对于柔性电子设备无止境的追求。天津大学胡文平教授团队与斯坦福大学鲍哲南教授团队合作创造性地在目前广泛使用的导电高分子材料（PEDOT:PSS）中引入第二重拓扑交联网络，使其材料力学和电学性能都大大提升，得到了目前导电性最优的可拉伸、可光图案化的柔性电极。经过合理设计掺杂剂的拓扑结构和化学结构，得到的薄膜导电率相比于之前报道的策略提高了2个数量级，并且通过直接光固化工艺可制备微米级线宽电极阵列。
近年来，柔性电子设备由于其优异的人体兼容性，受到了大量的关注。为了保证设备在运动过程中的稳定运行，导电材料需要同时满足高导电性和高拉伸性。高导电性是电子器件的运行基础，而柔性及高拉伸性则保障了良好的组织贴合度和高信噪比。在此基础上，如何在微纳加工后仍可保持良好的力电性能，是柔性电子器件精密化的前提，同时也是多数柔性导体材料的瓶颈。
针对这一问题，导电高分子材料（如PEDOT:PSS）得到了广泛应用。然而，由于载流子传输需求（高规整度链段排列）与柔性需求（高链段自由度）难以兼顾，导电高分子材料的力电综合性能始终难以突破。尽管关于可拉伸 PEDOT:PSS 的研究不胜枚举，目前仍无法同时实现良好的本征可拉伸性、优异的导电率，并用于高精度可拉伸器件的制备。
在这项工作中，团队创造性地在PEDOT:PSS中引入第二重拓扑交联网络，选择了具有较高构象自由度的“机械互锁”几何结构，赋予了材料本征可拉伸性，并进一步优化导电性和光图案化性能，最终实现材料力学—电学综合性能突破。经过合理设计掺杂剂的拓扑结构和化学结构，得到的薄膜导电率相比于之前报道的策略提高了2个数量级，并且通过直接光固化工艺可制备微米级线宽电极阵列。
这一前所未有的性能使得以前无法实现的应用成为现实。将对材料化学、生物医学工程、柔性光电子等带来深刻的影响。
论文信息：
标题：Topological supramolecular network enabled high-conductivity, stretchable organic bioelectronics
出版信息：SCIENCE，24 March 2022
DOI：10.1126/science.abj7564
来源：中国科学技术大学物理学院，高分子科技
转自：科研之友 ScholarMate
如有侵权，请联系本站删除！
