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大道至简:不会物理发明的化学家不是好的科幻创造者

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DeepTech深科技 2021-11-29 18:58

无论是海洋表面、云彩表面,还是人体中肺部、眼睛和各种粘膜的表面,均为气液界面。因此气液界面化学的研究对理解气候和污染的生成,以及生命体内的关键生化过程都极为重要。

然而,气液界面仅有几十纳米到几百纳米厚,在技术上如何采样这种极薄的界面层而不受到体相的干扰,成为了关键的科学和技术问题。

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图丨气液界面有机单分子层采样难题(来源:张新星,络绎知图整理)

本次络绎学术 Online 直播第 107 期,我们有幸邀请到南开大学张新星研究员,进行了“气液界面化学反应动力学”相关话题的学术分享。为方便广大读者理解相关研究,本文将以问答形式呈现。

络绎科学:请您为我们介绍一下气液界面是什么呢?为什么研究气液界面的化学反应非常重要?

张新星:气液界面有机单分子层在大自然中无处不在。例如,在生命体中,眼睛表面气液界面体现在每个人眼睛的表面都有一层水,水的表面有一层有机单分子层,能把这层水盖住,防止眼睛表面水分蒸发;肺部表面也有一层气液界面,水的表面上有一层脂质分子,可以实现和空气的气体交换。因此,许多与眼睛或肺有关的疾病,也与气液界面有关。另外,在大气中,气液界面也在很大程度上塑造着我们的大气环境。因此,研究其化学反应动力学非常重要。

络绎科学:研究气液界面需要哪些技术?

张新星:在技术上,有选择性的研究气液界面非常困难,问题关键在于,我们如何在高选择性的采样一层单分子的同时,又不受到体相的干扰。

目前,国际上能够研究气液界面这一层薄薄的单分子技术非常有限,如非线性光学技术(和频光谱)或常压光电子能谱技术等,开发新技术十分必要。我们课题组有一项自行开发的独特技术——用质谱的技术研究气液界面上的单分子层——场致液滴电离-质谱技术(FIDI-MS)。

络绎科学:那么,“第一代”场致液滴电离-质谱技术(FIDI-MS)的技术原理具体是什么?

张新星:首先,我们在一个金属毛细管的一端,悬挂一个小水滴,在这个水滴的表面,事先溶解的两亲性的分子会在气液界面上形成有机单分子层。

接着,我们用自由基或其他一些化学反应物,或者也可以用光来触发该气液界面上有机单分子层的化学反应。

最后,也是最重要的一步,我们在小液滴两端施加经过特殊调制波形的瞬时高压单脉冲电场。在这种情况下,液滴会被撕扯成双纺锤状,并且从自身表面上撕扯出微液滴。这些微液滴通常只有几十纳米到几百纳米大小。

同时,因为这些微液滴是从大液滴表面上撕扯出来的,其负载的化学信息一定与大液滴表面上的化学信息相同,因此该技术有很高的液面界面选择性。我们搭建的第一代技术装置,有高达 10 万倍的表面选择性。

图丨场致液滴电离-质谱技术(来源:张新星,络绎知图整理)

络绎科学:能不能搭建一个完美的气液界面,如果可以的话,需要什么技术?

张新星:在我们的第一代技术中,美中不足的是,当液滴悬挂在金属毛细管一端时,液滴和毛细管接触的地方有一个点,不属于气液界面范围。

我们想构建完美的气液界面,就需要我们想办法,把水滴悬浮在空气中,让水滴只和空气接触而不和其他任何东西接触,这就叫完美的气液界面。为此我们开发了一套新的技术叫做“相控阵声学技术”。

对于相控阵技术,大家并不陌生,例如美国最先进的战斗机搭载的雷达叫做相控阵雷达,我国战舰驱逐舰搭载雷达都是有源相控阵雷达。而我们则是把相控阵的技术应用在声波上。

络绎科学:您具体是如何将相控阵技术应用到了气液界面研究上的呢?

张新星:相控阵的本意就是控制了相位的阵列。我们课题组买了大约1000个扬声器,我们把扬声器设计成各种各样形状的阵列。我们通过对阵列上每一个扬声器发出的声波的相位进行精确调控,就可以实现声音在三维空间的声场的精确调控。而在声场驻波的波节处即可实现对物体的悬浮和操控。

图丨以干冰雾实现声场可视化(左:计算机模拟声场;右:干冰雾可视化声场;来源:张新星,络绎知图整理)

图丨相控阵声学技术构造完美气液界面原理(来源:张新星,络绎知图整理)

声悬浮与磁悬浮相比,其优势在于,声悬浮“万物皆可悬浮”,不受材料属性限制,例如可以悬浮塑料、鹅卵石、糖果、蚂蚁,等等。在使用该技术浮起小水滴时,小水滴将只与空气接触,这样的接触界面,我们可以称之为完美的气液界面。

另外,通过这种技术,我们不仅能够悬浮物体,还可以在三维空间中操控物体位置,甚至操控多个物体位置。而这样我们就可以在空气中实现液体的无需容器的化学反应,也可以利用FIDI-MS技术完成我们的气液界面化学反应研究。

络绎科学:您的团队用这种技术都做了哪些研究呢?

张新星:我们利用相控阵声学技术和FIDI-MS技术已经进行了一些化学反应机理研究,等等。例如对癌症的光动力疗法微观机理研究。传统上,一般利用光致发光探针、电子自旋共振或质谱技术辨别光动力疗法中的第一类光敏反应(三线态光敏剂直接与底物反应,Type Ⅰ)和第二类光敏反应(三线态光敏剂传递能量至单线态氧氧化底物,Type Ⅱ)。这些技术均有一定的问题,其通病是过于繁琐,我们希望能够在一两分钟内就能实现光敏反应机理的辨别。为此,我们在气液界面上构建了一个磷脂单分子层,并掺入光敏剂,而后给予光照。在光照一两分钟后,触发FIDI-MS技术,由于Type Ⅰ和Type Ⅱ光敏反应的产物不同,我们通过产物关键自由基中间体机理判断就可以快速实现光敏反应类别的辨别。

络绎科学:我们注意到,您展示的相控阵声学技术非常有趣。除了您介绍的气液界面化学反应研究外,该技术还有什么样的应用和开发场景呢?

张新星:这是一项物理技术,我认为这项技术可以在未来帮助我们实现很多只有在科幻影片中才能看到的场景。

例如,全息投影可能会是一个未来的应用场景。在许多科幻片构建的未来世界中,人们都是通过光的技术实现全息成像,并进行沟通的。但实际上,真正意义上光的全息成像并不存在。而对于我们的相控阵声学技术来讲,只要我们的悬浮装置做得足够大,就能浮起无数小颗粒,就可以操控这些小颗粒摆成任何样子,而这就可以通过实物,真正实现全息成像了。

甚至我们可以想象一些有趣又实用的场景,未来当我们晚上回到家,一进门就将钥匙、衣帽随手一扔,但我们既不想扔在地上,也不想收拾,如果这时家里安装了智能的悬浮装置,就好办了。悬浮装置完全能够将我们扔掉的钥匙、衣帽接住。另外,我们也可以在博物馆中使用这种悬浮技术,让人们可以清楚地看到展品的各个方面。同时无接触传递也将会是重要的应用场景。

图丨全息成像(来源:张新星,络绎知图整理)

络绎科学:您的团队有哪些科研规划吗?

张新星:未来,我们想深刻理解气液界面内单分子层的物理化学本质是什么。当前,对气液界面有很多猜测,例如有人对水的气液界面酸碱性进行了猜想;有人认为气液界面上有一个非常高的天然电场,但并没有人真正测量或者模拟出该电场。而这些都将对气液界面的化学反应产生重大甚至根本的影响。

我希望在未来的研究中,我们能够通过新装置搭建、新体系研究,去深刻理解这些物理、物理化学、量子力学层面的分子、原子,甚至是电子能级结构层面的性质对化学反应到底有什么影响,进而对气液界面有更加深刻的理解。

南开大学张新星研究员介绍:

2018 年在南开大学化学学院开展独立工作。主要研究方向为气液界面化学动力学和团簇分子反应动力学。已发表 SCI 论文 73 篇,含第一或通讯作者论文 53 篇,包括 Nat. Commun.、JACS、PNAS、Angew. Chem.等。回国独立工作以来,以南开大学为通讯单位发表论文 29 篇,其中包括Angew. Chem. 7 篇,JACS 2 篇,Nat. Commun. 1 篇,J. Phys. Chem. Lett. 2 篇。获得了中国化学会第二届菁青化学新锐奖(本届全国共 5 名),美国质谱学会 ASMS 新兴科学家(Emerging Investigator)称号(本届全球共 11 名,2015 年该称号设立以来唯一中国大陆获得者),以及中国物理学会质谱专业委员会评选的 2021 年度质谱青年奖(全国唯一获奖人)。

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