又得浮生一日凉

热氧化法可提升对石墨烯光电性能的调控

xieshil — Wed, 22 Feb 2012 12:16:32 +0800

据美国物理学家组织网2月19日报道，美国西北大学研究人员采用一种新的热氧化方法，可在不损害石墨烯晶格结构的前提下提升对其光电性能的调控，向今后制备更快速、轻薄、柔性的电子产品迈进了一步。相关研究成果刊登在2月19日的《自然—化学》杂志上。

石墨烯是由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格结构材料，硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可以伸展。其导电和导热性能超过任何铜线，重量几乎为零。由此，科学家对其能够在众多领域广泛应用寄予厚望。在其应用较多的电子产品方面，许多专家认为它比硅更具竞争力，如转换集成电路和超高速电脑、手机和相关便携式电子设备。

而如何掌握调控石墨烯的电子性能，对于研究人员来说并非易事，这也正是这种材料所固有的一个重大挑战。与半导体硅不同，石墨烯的价带和导带之间为零带隙，而带隙是电学应用的关键，能使材料实现电子流的开与关。如果其很难“关闭”通过的电流，就不适于大量集成电路构成的数字线路。

热氧化法可提升对石墨烯光电性能的调控（版权：Nature）

为了克服这个难点，使石墨烯更能施展本领，世界上很多研究人员都在研发检测各种能够改变该材料的化学方法。由此产生的石墨烯氧化物通常被看作是一种缺陷态的材料，正因为其固有的缺陷及丰富的官能团，为通过化学途径来调控其光电性能提供了可能。最普遍的是自20世纪40年代开发的Hummers方法氧化石墨烯，但其使用的强酸会对石墨烯晶格结构造成不可挽回的损害。

在操作中，西北大学的研究人员将氧气泄入一个超高温的真空室，其内被加热到1500摄氏度的热钨丝促使氧分子分解成氧原子。之后，高活性的氧原子被均匀地嵌入到石墨烯晶格之中。光谱测量显示，在石墨烯氧化物的电子特性上呈现出均有共价键结合的大量含氧官能团，这表明其具有可调控基于石墨烯设备的属性。

该大学的材料科学与工程教授马克介绍说，新方法不像Hummers法在过程中会给石墨烯氧化物带来相应的损害，所产生的石墨烯氧化物的化学同质性程度很高；并且，它的氧化过程是可逆的。由此，进一步提高了经过化学方法处理过的石墨烯的可调性。

马克说：“现在尚不清楚这项工作在一夜之间将给现实世界中的应用带来怎样的影响，但显然它是朝着正确的方向迈出了一步。”（来源：科技日报华凌）

来源于：科学网原文链接：http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201222113555497422490.shtm?id=22490

文献题目：Chemically homogeneous and thermally reversible oxidation of epitaxial graphene

摘要：With its exceptional charge mobility, graphene holds great promise for applications in next-generation electronics. In an effort to tailor its properties and interfacial characteristics, the chemical functionalization of graphene is being actively pursued. The oxidation of graphene via the Hummers method is most widely used in current studies, although the chemical inhomogeneity and irreversibility of the resulting graphene oxide compromises its use in high-performance devices. Here, we present an alternative approach for oxidizing epitaxial graphene using atomic oxygen in ultrahigh vacuum. Atomic-resolution characterization with scanning tunnelling microscopy is quantitatively compared to density functional theory, showing that ultrahigh-vacuum oxidization results in uniform epoxy functionalization. Furthermore, this oxidation is shown to be fully reversible at temperatures as low as 260 °C using scanning tunnelling microscopy and spectroscopic techniques. In this manner, ultrahigh-vacuum oxidation overcomes the limitations of Hummers-method graphene oxide, thus creating new opportunities for the study and application of chemically functionalized graphene.

论文DOI：10.1038/nchem.1269（可以留言向我索取此文）

壬辰杂谈·石墨烯

xieshil — Mon, 20 Feb 2012 23:39:33 +0800

现在在科研上，石墨烯真的是非常的热。自从两年前石墨烯拿个了诺贝尔奖之后，热度一路上升，大家在制备材料的过程中，总是有意或者无意的往里面添加些石墨烯，将之前本来就不错的材料，诸如ZnO，TiO2，CdS，MnO2， Co3O4这些个在电容电池光催化等方面优良的材料里象是大杂烩时的加一点，然后测下性能曲线，哦，有很大的提升，一般Paper就出来了，而为什么添加这个，估计是这个材料相对热些吧，或者是其他人所说的跟风。

但是我认为把他称之为跟风总是不大合适，某种东西在“学术圈”之所以这么热门，很大程度上是因为其的确有优良的性能，比如现在的TiO2，这么多年了一直都是研究的热点，并且在现实生活中也有一定光度的应用，例如自清洁的玻璃，还有上一次我看到的有点小搞笑的驱蚊器。所以说材料热没有问题，说明这个东西值得研究。但是在另一方面，如果一窝蜂的做搀和，不分青红皂白的乱试，成则为王，报喜不报忧，我总感觉这是现在一个小小的问题。这种情况下其实最容易造成重复劳动。或者把别人的A换成B，这也是一种有点那个那个的做法，除非你有很好的理由——要不然，你学这么多年的无机化学，有机化学，物理化学，分析化学干什么用？买个酱缸，回来就可以腌咸菜了，至于辛苦这么多年吗？如果你要说理论并不能知道一切，是，我承认，但是理论很大情况下都可以指导你。个人认为一种比较好的情况是，按照理论去发展，发现相反现象，提出问题，改进理论。而不是和前人的规律对着干，你不觉得这样子效率很低么？

罗嗦了一大段，也没有提到正题，石墨烯是一种很好的材料，而我感觉他好在极具有优势的大π键，可以提供很好的电子移动场所，对有很多材料的确会有很大的提升，但是石墨烯现在的问题在于其合成的方法和纯度达不到具有一定的成本优势，所以重点应当是在这一块，而大家却舍本逐末，可叹可叹。另一个活生生的例子就是燃料电池，质子膜的价格下不来，催化电极不用Pt，对于很多情况下都是一种难以接受的事实，那还干嘛研究电极呢？你等别人却解决质子交换膜的问题，其他人还指望你呢？！

所以我感觉，如果大家真的喜欢C材料，活性炭和石墨都是不错的选择。毕竟，大家前言中的环境问题和能源问题是耗不起的。等那一天石墨烯的价格降下来了，现在已经有这么多人，价格下来后会有更多的人，难道还不能穷尽那几种材料么？更可况还有前面的AC（活性炭）和石墨的经验？

别人提出让我试下石墨烯，自己发点小牢骚~~~~

Science：用新催化剂可从酸水制备氢气

xieshil — Fri, 17 Feb 2012 23:40:42 +0800

注：MoS2其实是一个研究比较多的物质，比如时间上非常接近的这一篇：Molybdenum sulfides—efficient and viable materials for electro – and photoelectrocatalytic hydrogen evolution，同样是用作产氢，大家可以对比下。

据美国物理学家组织网近日报道，美国科学家们研发出一种新技术，并用其制造出一种在结构和化学性质上与广泛使用的工业催化剂辉钼矿的活跃部分相类似的新分子。新技术可用来制造出比铂更高效且廉价的新型催化剂，从酸性水中制备氢气。研究发表在近日出版的《科学》杂志上。

用新催化剂可从酸水制备氢气

劳伦斯伯克利国家实验室的赫马马拉·卡伦娜达萨领导的科研团队与加州大学伯克利分校的科学家携手合成出该分子。其能模拟沿着辉钼矿晶体边缘的三角形二硫化钼单元。科学家们表示，从催化角度而言，块状辉钼矿晶体材料相对来说是惰性的，但其边界点拥有催化活性，因此，与边界点类似的分子能被用来制造更高效且更廉价的新型催化剂，让科学家们能用更少的材料获得同样的催化效果。

辉钼矿是金属钼的晶体硫化物，也是提炼钼铁的主要矿物质，一般用作润滑剂，但它也是标准的催化剂，可用于剔除石油和天然气中的硫以便减少其燃烧时二氧化硫的排放量。最近已有研究证明，辉钼矿纳米粒子也能作为用水制备氢气的电化学和光化学反应的催化剂。

目前，最好的制氢方法是使用铂催化剂，将水分子分解为氢分子和氧分子。然而，随着铂价飙升，人们急需一种低成本的替代催化剂。辉钼矿储藏丰富且成本仅为铂的七十分之一，因此，科学家们开始研究辉钼矿在制氢中的潜力，希望借此研发出一种便宜、高效且碳中和的制氢手段。但辉钼矿也有问题。高分辨率扫描隧道显微镜研究和理论计算已确定辉钼矿仅其三角形二硫化钼边界具有催化活性，但制造出具有更高密度的有催化作用的边界点的辉钼矿是一个巨大挑战。

研究团队使用一种PY5Me2配位体制造出了一个二硫化钼分子，尽管自然界中并没有该分子，但其性能稳定且结构与辉钼矿三角形的边界点一样，其也能形成一层与构建辉钼矿硫化物边界类似的材料。利用新分子作为配体合成出的辉钼矿复合物能高效地催化从酸水中制备氢气的反应。

研究人员杰弗里·龙指出：“我们能通过修改配位体来调整这种分子的电子结构，这表明，我们能定制所得材料的活性、稳定性以及氢还原要求的超电势来改善其性能。”

研究人员克里斯托弗·张表示：“我们现在正在研制与其他催化材料内的活跃点类似的分子，其有望在更大pH范围的环境下工作，同时研究光驱动的催化反应。最新分子或许并不能完全替代现有催化剂，但它确实提供了一种增加无机固体催化材料的活性点密度的方法，让我们能‘花小钱，办大事’。”（来源：科技日报刘霞）

原文链接：http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/20122171337272122414.shtm

论文标题：

A Molecular MoS2 Edge Site Mimic for Catalytic Hydrogen Generation

论文摘要：Inorganic solids are an important class of catalysts that often derive their activity from sparse active sites that are structurallydistinct from the inactive bulk. Rationally optimizing activity is therefore beholden to the challenges in studying theseactive sites in molecular detail. Here, we report a molecule that mimics the structure of the proposed triangular active edgesite fragments of molybdenum disulfide (MoS2), a widely used industrial catalyst that has shown promise as a low-cost alternative to platinum for electrocatalytic hydrogenproduction. By leveraging the robust coordination environment of a pentapyridyl ligand, we synthesized and structurally characterizeda well-defined MoIV-disulfide complex that, upon electrochemical reduction, can catalytically generate hydrogen from acidic organic media aswell as from acidic water.

论文DOI： 10.1126/science.1215868（可以向我索取本文，请留言）

壬辰杂记一·论文悲剧

xieshil — Fri, 17 Feb 2012 23:31:39 +0800

实验室有一些师兄有一次开玩笑的说他2011年运气很差，几篇论文三番五次的被编辑给据稿，希望来年时来运转。果不其然，刚过完春节便收到一篇论文的修改意见，算是有所出头了吧。

但是我就没有这么好的运气了，到时一到学校不久便收到了RSC的据稿通知：

Thank you for your recent submission to XXX. We have now received the reviewers’ reports on your manuscript, which are copied below. After careful evaluation of the manuscript and reports, I regret to inform you that we do not find your current manuscript suitable for publication in XXX. Further details regarding the reason for this decision are given in the reports.

I am sorry not to have better news for you and I hope the outcome of this specific submission will not discourage you from the submission of future manuscripts.

具体什么刊物我就不拿出来丢人了，仔细看了下审稿人的意见，问题是比较多，一些提的非常好，但也就是因为这点，感觉有些问题很无厘头，貌似是非化学专业提出来的。好吧，可能他第一眼看到我的初稿就心里不爽，一时半会想不起来最佳的理由，那就一个“没有新意”或者“有人做过了”，据掉吧。

也好，郭嘉如是说。

下面又有的忙碌了。也是明后天注册后，貌似新学期来到了。希望这个学期我的“运气”不要太差。

谢家麟吴良镛获国家最高科学技术奖

xieshil — Tue, 14 Feb 2012 14:33:38 +0800

著名加速器物理学家谢家麟院士。孙自法摄

著名建筑与城乡规划学家吴良镛院士。孙自法摄

中共中央、国务院2月14日上午在北京人民大会堂举行2011年度国家科学技术奖励大会，胡锦涛、温家宝、李长春、李克强等领导人出席大会。

中国科学院院士、中国粒子加速器事业开拓者和奠基人之一、著名加速器物理学家谢家麟，中国科学院和中国工程院两院院士、著名建筑与城乡规划学家、新中国建筑教育奠基人之一、人居环境科学创建者吴良镛，荣获2011年度国家最高科学技术奖。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛为他们颁奖。

中国2011年度国家科学技术奖励共授奖374个项目和10位科技专家，包括国家最高科学技术奖2人，国家自然科学奖36项，国家技术发明奖55项，国家科学技术进步奖283项，中华人民共和国国际科学技术合作奖8人。其中，“青藏高原地质理论创新与找矿重大突破”获国家科技进步奖特等奖。

谢家麟简历（来源：中国科学院）

加速器物理学家 1920年8月8日生于黑龙江哈尔滨，籍贯河北武清。1943年毕业于燕京大学物理系。1948年获美国加州理工大学硕士学位，1951年获美国斯坦福大学博士学位。1980年当选为中国科学院学部委员（院士）。中国科学院高能物理研究所研究员，曾任该所副所长。

主要从事加速器研制。在美国期间领导研制成功世界上能量最高的医用电子直线加速器。1964年领导建成我国最早的可向高能发展的电子直线加速器。20世纪80年代领导了北京正负电子对撞机工程的设计、研制和建造。90年代初领导建成了北京自由电子激光装置。代表作有《对撞机工作原理和北京正负电子对撞机》、Design Considerations of the Beijing Feee Electron Laster Project。曾获国家科技进步奖特等奖、中国科学院科技进步奖特等奖等。

吴良镛简历（来源：中国科学院）

建筑学家。1922年5月7日生于江苏南京。1944年毕业于重庆中央大学建筑系，获工学士学位。1948-1950年在美国匡溪艺术学院建筑与城市设计系学习，并获硕士学位。1950年回国后在清华大学建筑系任教至今。1995年当选中国工程院院士。1980年当选为中国科学院院士（学部委员）。

在建筑教育领域作出了杰出贡献，多次获得国内外嘉奖，1996年被授予国际建协教育／评论奖。此外他主持参与多项重大工程项目，如北京图书馆新馆设计、天安门广场扩建规划设计、广西桂林中心区规划、中央美术学院校园规划设计、孔子研究院规划设计等。其中他主持的北京市菊儿胡同危旧房改建试点工程获1992年度的亚洲建筑师协会金质奖和世界人居奖。先后出版了《中国古代城市史纲》(英文版)、《城市规划论文集》、《广义建筑学》、《北京旧城与菊儿胡同》、《迎接新世纪的来临》、《建筑学的未来：世纪之交的凝思》、《人居环境科学导论》等著作，并参与中国建筑学会、中国城市科学研究会等多个全国性学术组织的创建工作。

谢家麟院士简历:http://baike.baidu.com/view/191961.html

吴良镛院士简历:http://baike.baidu.com/view/104606.htm

本文呢来源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/2/259738.shtm

铂微电极、金微电极、粉末微电极制作

xieshil — Sun, 12 Feb 2012 23:15:00 +0800

为了感激小木虫这些年来对我的帮助，现我将微盘电极以及粉末微电极的制作工艺介绍如下：

在电化学的基础研究中，常用到微盘电极，它的优点在于电极的扩散层非常薄，盘电极中，扩散层的厚度和电极的半径成正比，因此用微盘电极做实验，可以得到非常大的极限扩散电流密度。

微盘电极的制作包括以下几个步骤：

1 玻璃管的选择，微盘电极一般都用玻璃管密封一段贵金属丝，玻璃管的选择大有讲究。因为玻璃中含有硼砂，硼砂的含量越高，玻璃的硬度越大。玻璃的热膨胀系数也与硼砂的含量有直接的关系。贵金属丝是否能被玻璃密封的严实，窍门之一就是玻璃的热膨胀系数与贵金属的膨胀系数相当，硼砂的含量越少，两者的热膨胀系数越接近。在玻璃滴管（那种非常廉价的，20元100支的那种）、移液管、温度计玻璃管等等诸多类，最好的是玻璃滴管，它非常软，一烧就熔，而且热膨胀系数与金属丝接近；

2 火候选择，烧电极要用火来烧，用电更好，但用火烧也不是不能烧好。酒精灯、酒精喷灯，煤气灯是实验室常用的火候。我用玻璃滴管来烧电极的，因此酒精度烧就行了，有人也喜欢用移液管来烧电极，那常规的酒精度是烧不动移液管这种硬玻璃的，酒精喷灯才行。用电烧更好，将一个电阻丝绕成一个螺线管状，将玻璃插入螺线管的中间，通过控制电压来控制螺线管的温度；

3 贵金属丝的截取，常用来做微电极的金属丝有金和铂，铂丝的熔点比金丝的高许多，金属丝的直径一般是50微米到100微米。截取金属丝的长度一般为1.5cm，将铂丝或金丝和一个长银丝对接好，对接的方式可以是将铂丝（或金丝）和银丝的两头烧熔在一起，也可将两头缠在一起；

4 玻璃管和金属丝的清洗玻璃管内部和金属丝表面难免不会有杂物，这些杂物在火上一烧就会产生气体，从而造成玻璃和金属丝的界面有许多气泡，因此电极制作的关键之二是玻璃管和金属丝是否干净清洁，而且这种清洁程度的要求非常高，这要求做电极的操作者非常细心和耐心。玻璃管的清洁可用浓硫酸去煮，但不要用王水去煮，也不要用铬酸去泡，后两种方法都达不到预期的效果。煮完的玻璃管用超纯水反复洗；金属丝的清洁可用超纯水、丙酮和乙醇反复超声；

5 玻璃管和金属丝的烘干如果把它们直接放到烘箱中去哄，就全功尽弃了，因为烘箱以前不知烘过多少杂七杂八的东西，对制作微电极来说，这里面不知有多脏，除非这个烘箱你第一次用。直接将玻璃管放在空气中，在红外灯下烘都比在烘箱中烘来得干净。金属丝和玻璃都得烘干，否则这些水份在火上一烧都转化为气体了，结局是玻璃和金属丝的界面布满了气泡；

6 烧结将对接好的金属丝插入玻璃管内，贵金属丝微露出玻璃管，火焰温度的选择是能将玻璃刚好烧熔即可，温度过高了，金丝一下都烧成个球了，而且金属玻璃界面容易产生气泡，烧结时间也不宜过长；

7 电极的打磨电极烧好后，需要用金相砂纸将前面一小段打磨掉，原因是前面一小段可能会有气泡，可先用四号砂纸打磨，再用六号砂纸打磨。

一个微电极就这样做好了。需要强调的是，微电极的制作不是太容易，即便是一个各方面素质都非常不错的老练的科研工作者，也没有百分之百的把握将每一个电极都制作成功，这里面方方面面的细节都得注意到，而且有些细节人没有办法完全控制，所以一次一般同时烧2－3个电极。检验一个微电极是否制作成功的方法是，将电极插入电解液中，进行cv测试，其测试结果的图形与《电化学方法：原理和应用》一书中第13章的 pt的cv图形基本一致即可。

关于粉末微电极的制作，是在微电极制作好以后的基础之上的工作。

1 将铂微电极在铁氰化钾溶液中扫一个cv，扫速20mv/s左右都行，记录它的极限扩散电流；

2 将铂微电极在王水中煮20分钟左右，在将电极清洗干净；

3 将腐蚀了的电极又插入铁氰化钾溶液中再扫一个cv，扫速不变，观察它的极限扩散电流是否为原来的一半，那么这个腐蚀深度最合适。

以上是我对制作微盘电极和粉末微电极的经验总结，请大家提出建议和意见。

本文来源：http://emuch.net/bbs/viewthread.php?tid=3790818

Raman分峰

xieshil — Fri, 10 Feb 2012 23:34:00 +0800

如果已经对Raman扣除好了基线，那么对Raman分峰就容易的多了。

在origin中分峰时，只需要选择 analysis – Peaks and Baseline – Multiple Peak Fit 选择Dialog…

这里分峰可以选择多种拟合方式，一般而言Gauss函数比较常用，下面输入要分的峰的数量。至于下面大量的调试参数，大家可以根据具体情况进行尝试。

和上次一样，双击选择峰的位置即可。一点小的建议是，选择峰前使用放大镜工具放大峰的位置，可以使峰的位置更加准确。

分峰后的效果如下：

回到数据表中可以看到如下信息，比如峰的准确位置，半峰宽，峰高，峰面积等等信息：

复制后可以粘贴到其他的数据列中，方便进行下一步处理：

碳的sp2和sp3峰/碳的Raman D峰和G峰

xieshil — Wed, 08 Feb 2012 23:06:58 +0800

石墨碳基材料在拉曼光谱中的主要特征是G峰、D峰以及它的倍频峰2D峰。一阶G峰和D峰都是由于碳在sp2轨道的振动引起的，分别在1580 cm-1和1350 cm-1处，G峰对应于布里源区中心的E2g声子，D峰是由sp2原子的声张膜引起的缺陷峰，用于评估GNS中的缺陷水平和杂质含量这两处拉曼峰为类石墨碳(如石墨，碳黑，活性碳等)的典型拉曼峰。GNS的主要标志在2D峰处，这个峰的形状、位置、D波段的相对强度明显依赖于膜的层数，D、G峰的面积之比D/G随着芳香环数的增多而增多。

对于有时D和G峰并不是分离的很明显时，如果基线不在一个平面上，就要分峰，分峰拟合后，ID/IG是分峰拟合后两个峰的面积比，这个值越小，表示石墨化程度越高。目前基本都用强度比了，简单易用。其实把D峰分峰，可以用面积比比较缺陷还是杂质，甚至是哪种缺陷。就是太复杂了，所以基本没人用。

具体的文献可以参见（可以留言向我索取下面四篇文献）：

1. Wang, Y., Alsmeyer, DC, and McCreery, RL, Raman Spectroscopy of Carbon Materials: Structural Basis of Observed Spectra. Chemistry of Materials, 1990. 2(5), 557-563. (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm00011a018)

2. Sadezky A, Muckenhuber H, Grothe H, et al. Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: Spectral analysis and structural information . Carbon, 2005, 43(8): 1731-1742.（http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2005.02.018）

3. Sheng C. Char structure characterised by Raman spectroscopy and its correlations with combustion reactivity . Fuel, 2007, 86(15): 2316-2324. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2007.01.029

最后是最近发表在ACS Nano上的一篇关于石墨烯/氧化石墨烯的文章，其中比较简单扼要的解释了碳的Raman峰，可以参考下：

Raman spectroscopy was used to study the ordered/disordered crystal structures of carbonaceous materials. Thus, we utilized it to examine the changes that occurred in the structure of the graphene nanomeshes as compared to the as-prepared graphene oxide sheets, as shown in Figure 4. The well-known characteristics of carbon materials in Raman spectra are the G band ( 1580 cm-1 ), which is generally assigned to the E 2g phonon of sp 2 bonds of carbon atoms, and the D band ( 1350 cm-1 ) as a breathing mode of k-point phonons of A 1g symmetry,which is attributed to local defects and disorders, particularly the defects located at the edges of graphene and graphite platelets. The smaller I D /I G peak intensity ratio of a Raman spec-trum can indicate lower defects and disorders of the graphitized structures containing the disorders caused at the edges of the carbon platelets.

ACS NANO VOL. 4 ▪ NO. 7 ▪ 4174–4180 ▪ 2010

《自然》评出2012年五大挑战性科学实验

xieshil — Mon, 06 Feb 2012 12:50:59 +0800

写在前面：按照科学网上的留言说明，本文翻译的不是很好，但是对于很多人而言，想要有简单的了解，本文还是很不错的，至少能够将问题讲清楚，至于是否完全准确，大家可以看下Nature上的原文，全部IP地址都可以访问，或者在本文后留言，我发送原文也可。

很多科学家认为，2012年将是“上帝粒子”现身之年；媒体也大都将焦点聚集在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机（LHC）之上，人们迫切期望LHC能在今年搜寻到被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的“芳踪”，为人类了解宇宙进而了解人类自身提供更多的线索。与此同时，也有一些科学家正在潜心从事一些同搜寻希格斯粒子一样具有挑战性的实验，虽然这些科学家以及他们的实验并非那么广为人知，但其作用同寻找“上帝粒子”一样，都是为了解开盘旋在人类心中很久的一些谜团。英国《自然》杂志网站近日为我们列举出了如下5大颇具挑战性的实验。

寻找外星生命的“蛛丝马迹”

美国哈佛—史密森尼天文物理中心的天文学家大卫·夏邦诺1999年时还只是哈佛大学的一名研究生，但是，他首次观测到了另一个太阳系的一颗行星通过其母星表面时，母星光度的轻微下降。现在，这样的“凌日”法是天文学家们发现行星的重要方法。科学家们可以借用这一方法了解行星和其大气的结构。当行星经过其母星，母星光线便会经过行星的最外层大气，通过仔细分析该母星的光谱，便能得知该行星的大气成分。如果科学家们能证实行星的大气中确实包含有氧气，那可能暗示这一行星上存在生命。但是，探测到氧等元素的唯一方法是在通过该行星大气的星光光谱中找到它们，而这种信号非常弱。

夏邦诺解释说：“起初，行星遮住的光线很少，一颗木星大小的行星行经一颗类似太阳的恒星时，会遮蔽约1%的光。而一颗更小的、地球一样大小的行星可能只能遮蔽约0.01%的光。接着，我们会看到该行星周围的‘洋葱皮’，那就是大气。”仅仅只有通过洋葱皮的星光拥有天文学家们正在寻找的光谱信息，然而，对于像太阳一样大小的恒星和像地球一样大小的行星来说，这无异于大海捞针。因此，利用“凌日”法了解系外行星存在诸多困难。

不过，夏邦诺表示，尽管目前还没有望远镜拥有探测到太阳本身的光线发出的微小信号所需要的灵敏度，但是，木星大小的气体巨星的大气比地球大小的气体巨星的大气大，相应地，其光谱信息也更多。自2005年开始，哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜等轨道望远镜已经采集到了大约40个气体巨星的大气光谱。夏邦诺说：“尽管最初的观察结果受到了科学家们的质疑，因为这些气体巨星并非那么普通，也并非那么富有争议。然而，这是我们迄今获得的与类地行星有关的所有信息，而且，以前没有人做到这一点。”

科学家们的最新研究成果是获得了“超级地球”GJ 1214b的光谱，该行星的直径约是地球直径的2.6倍，距离地球仅40光年，环绕着一颗红矮星运行，是当前发现的唯一一颗超级地球系外行星——质量在地球和海王星之间，并具备稳定的大气层。科学家们对这一行星进行的分析表明，该行星的大气中充满了水蒸气或者云，而几个月前，夏邦诺和同事使用哈勃望远镜也证实了这一点。

探测一颗类日恒星周围的一颗类地行星的大气结构为我们提供了最好的机会，让我们得以探测该行星上的生物活动，不过，这种探测仪需要具备极高的灵敏度。夏邦诺热切期望美国国家航空航天局（NASA）计划了很长时间且多次延迟发射的哈勃望远镜的继任者——耗资80亿美元、预计将于2018年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜确实能按时进入预定轨道。他说：“如果情况真这样就好了，我们或许可以依靠它在其他星球上找到生命。”

< !–nextpage–>

看穿手性分子的“镜像”

生物学上存在着一种奇妙的不对称，存在着一些化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子，这两种分子拥有完全一样的物理、化学性质。但是从分子的组成形状来看，它们依然是两种分子。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合，就像左手和右手那样，因此，科学家们将其称为手性分子。当化学家们在实验室制造这种分子时，一般会得到两种形式的混合分子，而且，依照惯例，会给它们贴上左手性或右手性的标签。但活细胞一般仅仅由左手性分子制造而成，没有人知道为什么会这样。

一种可能的解释是，标准粒子物理模型预测的自然界中四种基本力中的一种——弱相互作用调停着原子核和电子之间的某些相互作用，其对左手性和右手性分子的影响不同；而包括重力在内的其他力在每个版本的镜像宇宙中都是一样的。法国巴黎第13大学的伯努特·达奎解释道，从理论上而言，弱相互作用或许导致一种形式的手性分子同其镜像“双胞胎”分子的能态稍微有些不同，大约有1015分之一到1020分之一的差异。因此，如果一种形式的手性分子的振动频率为30太赫（频率单位，等于百亿赫），那么，它与对应的另一种手性分子的振动频率之间的差异仅为几豪赫兹甚至几微赫兹。

达奎表示，测量出这样的细微差异可能有助于我们解决生物学上的这个不对称难题，他的团队也正致力于做到这一点。这种差异甚至能让我们获得标准模型的弱相互作用理论的某些参数的值。

据达奎所知，他们的研究团队是目前全球唯一试图解决这一难题的团队。他花费了整整3年来组建这个由实验物理学家、量子理论学家以及化学家组成的实验团队。他们现在需要解决两个问题：首先，他们需要制造出分辨率极高的光谱仪来测量手性分子的能级。迄今最好的光谱仪能够识别出5/1014的能级差别，而他们需要的光谱仪的清晰度将约为目前市面上最好的光谱仪的100万倍。他们现在正在制造一个精确度更高的光谱仪。为了达到这样的灵敏度，他们的机器不能受到任何外部振动的影响，而且需要稳定地维持在0.1摄氏度以内。另外，为了能在测量分子振动频时获得所需要的精确度，达奎的实验室使用了一个分子时钟，其通过一个光纤网络与位于法国巴黎的世界时间标准原子钟相连。

科学家们面临的第二个挑战是制造出测试分子，且测试分子的不对称效应要大到足以被测量出来。因此，这个分子的中央原子应该很大，因为原子理论认为，这样会让不同形式的手性分子之间的能态差异最大，而且，当将其加热到光谱仪所要求的气体状态时，分子本身也不会分崩离析。该研究团队认为，最好的分子很有可能是甲基三氧化铼这样的分子，其两个氧原子被硫和硒所取代。不过，即使科学家们发现了一个能很好地用来做实验的分子，他们仍然需要一年时间来进行足够多的测试工作以增加信号与噪音之间的比率并得到更准确的数据。达奎表示：“问题越困难，当你解决它的时候，你就会越高兴。”

达奎表示，即使他们的实验并不能解决生物学上的这一难题，他们也不会因此而失望，因为，他们正在研发的技术将可用于对很多基础物理学理论进行测试。他说：“科学家们正在对能级更高或更低的粒子进行精确的测量，分子越复杂，测量需要解决的问题就更多，因此，我们正在研究的技术和工具将大有用武之地。”

寻找额外的空间维度

我们一直认为世界只拥有三维立体空间——左右、前后、上下，我们也认为这是一个颠扑不破的真理，无法想象还会有与其不同的情况。但超弦理论和其他试图设计出统御世界的“万物之理”的诸多尝试让很多物理学家提出了一个新观点：空间不仅仅只有三个维度。其他额外的维度很可能紧密地簇拥在一起，并因此而藏匿于我们的日常经验之外。不过，这些额外的维度也并非完全隐形，它们会对牛顿经典重力理论所预测的重力产生非常轻微的影响。能够探测到重力在这种尺度上的细微变化的实验因此能“看到”任何其他的维度。

美国华盛顿大学实验核物理和天体物理学中心的艾瑞克·阿德尔伯格于1999年首次听说了这种想法。他说：“有些人认为这种想法很疯狂，但是，也有些人认为这一想法很酷。”他和同事决定亲自测试这一想法。“还有比发现我们对世界维度的理解是错的更令人兴奋的事情吗？”

阿德尔伯格团队选择的工具是扭秤。他们对英国杰出的物理学家和化学家亨利·卡文迪什在上世纪70年代晚期首次用在实验室测量重力的扭秤进行了改良。在他们设计的现代版扭秤中，一个金属圆筒悬挂于一条丝线下，因此，圆筒能自由地扭转。圆筒底部黏贴着一个名为探测器的圆盘，圆盘上钻满了一圈小洞。距离第一个圆盘几微米之下的地方放置有第二个具有同样钻洞的名为吸引盘的圆盘。当该吸引盘旋转时，其上的小洞之间的物质会对名为探测器的圆盘上的小洞之间的物质施加一个微小的引力。这种力会让悬挂圆筒的丝线发生扭曲，导致圆筒旋转几十亿分之一度。

为了确保探测器圆盘是对重力而非其他力作出反应，以上设备必须完全由非磁性材料制成，并且所有材料的表面都需要用金包裹以便让电荷在设备上传播开来。这些设备也必须被制作得非常完美且不能受到任何震动（包括汽车驶入外面的停车场产生的震动等）的影响。阿德尔伯格表示：“我们在周末午夜到凌晨四点得到的数据最好。得到好数据的时间实在太短暂了，这令人有点沮丧。”

迄今为止，阿德尔伯格团队能够确定的是，不存在大于44微米的额外维度。他的两名研究生以及全球其他科研团队正努力让这一极值变得更小。但是，他表示，额外的维度越小，他们所需要耗费的时间就越长。他说：“如果存在着一个30微米的维度，那么，验证它的存在将花费1年。”

但是，阿德尔伯格似乎不惧这种不确定性和可能面临的诸多困难，他相信他们一定会成功。他说：“事情越困难，当你解决事情的时候，你的感觉就越好。”

< !–nextpage–>

捕捉引力波

美国国家射电天文台的天文学家斯科特·兰瑟姆目前正尝试通过观察银河系中最精确的自然钟——脉冲星来捕捉爱因斯坦广义相对论最基础的一个预测——引力波。他说：“引力波将为我们打开一扇新窗户，让我们可以以全新的角度认识宇宙。如果捕捉到引力波，我们就能用质量代替光来理解宇宙。”不过，他也表示，这一研究可能要耗费10年才能得到第一个结果。

兰瑟姆表示，关于万有引力的本质是什么，牛顿认为其是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”；而爱因斯坦则认为万有引力是一种跟电磁波一样的波动，并将其称为引力波。爱因斯坦认为，引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。兰瑟姆说：“就像轻轻摇动一个电子就会导致周围的电场和磁场出现波纹来向外传递光和其他形式的辐射一样，当你摇动某些庞然大物时，它就会释放出引力波。”

然而，遗憾的是，即使一种非常大的引力波泼洒在地球表面，也只能将地球稍微压扁，导致其直径增加约10纳米左右。很多地面实验希望能探测到这样的细微抖动，比如，由加州理工学院和麻省理工学院携手进行的激光干涉引力波观测站（LIGO）就一直试图将引力波的真正信号与驶过的车辆产生的噪音、雷声甚至100公里远的海波的涨落所导致的背景噪音分离开来。兰瑟姆和热心这项研究的同事正朝着一条他们认为更简单易行的道路前进：他们希望通过观察脉冲星来获得引力波的信号。脉冲星是一种超级稠密的星体，其中有些脉冲星一秒钟之内会旋转数千次，每次都会释放出一束辐射，时间不足100纳秒。该研究团队希望监测大约20个这样的遍布整个天空的脉冲星，以找到非常低频的引力波收缩或者扩展它们和地球之间的时空所导致的辐射时间的偏差。他们认为，信号最强烈的引力波的一个来源是遥远的、相互碰撞的星系内质量庞大的黑洞长达数年的跳动。

: 捕捉引力波

兰瑟姆是10个致力于解决这一问题的人中的一个，这些人由国际脉冲星计时阵联盟统一协调。好消息是，他们不需要额外研制任何工具：现在世界上最大的单碟片望远镜——位于波多黎各的阿瑞西波无线电望远镜能胜任这项工作。坏消息是，需要对脉冲星进行大约10年的监测工作才能捕捉到环绕黑洞旋转的脉冲星发出的引力波。迄今为止长达5年的研究中，他们仅仅对6颗脉冲星进行了计时测量。

兰瑟姆表示：“让我们感到兴奋的事情是，随着时间的推移，我们发现引力波的机会越来越大，只要我们有信心，我们就能看到引力波。”

对千克进行重新定义

自1889年以来，“千克”这一重量是由放在法国巴黎国际度量衡局（BIMP）的一个铂铱合金（90%的铂，10%的铱）圆筒所定义，它的高和直径都是约39毫米。该合金于1879年制成，经仔细调校，符合自18世纪法国大革命以来“千克”的重量，并于10年后被采纳，成为国际千克原器。国际千克原器被放置在巴黎市郊的地下室内，人们一直认为这一合金的质量不会改变。

在国际单位制里，除了“千克”，其余6个单位“米”“秒”“安培”“摩尔”等都不是以物体来定义的，质量是唯一一个以物体来定义的国际单位。用物体来定义重量单位的一个缺点就是物体的重量会随着时间的流逝而改变。实际上，到了1992年，国际千克原器的质量就发生了变化。经与其他“千克”原器相比，国际千克原器变化了约50微克，相当于一个直径0.4毫米的小沙粒。BIPM质量部主管艾伦·皮卡德说：“确切地说，我们无法确定它的质量是多了还是少了。这一变化可能是由于表面影响，失去了表面原子或结合了污染物。”

美国国家标准与技术研究院工程师乔恩·普拉特表示：“到了我们需要对千克进行重新定义的时候了。”普拉特是参与重新定义千克的诸多度量衡学者中的一名。

参与这项研究的科学家们的基本想法是让千克成为基本的物理学常量，就像现在用光在真空中的行进速度来定义米一样：在真空中行进的光在299792458分之一秒内旅行的距离为一米。有鉴于此，这些科学家正研究以更稳定的量子力学常数——普朗克常数h取代物体，重新对“千克”下定义，并尽快达成200年来科学界寻求用稳定数字来统一度量制度的目标。物理常量普朗克常数反映的是量子力学中能量子的大小，每一份能量子等于hv，v为辐射电磁波的频率，h为普朗克常数。将这一等式与更加著名的E=mc2结合在一起，科学家们就可以据此定义质量了。

然而，为普朗克常数确定一个精确的数值本身也是一项非常复杂的工作，目前科学界有两种不同的方法来确定普朗克常数的数值，而他们得到的结果却并不一致，由此也让科学家们对千克进行重新定义变得更加困难。

其中一种方法利用的是瓦特平衡法（也叫瓦特天平）来定义普朗克常数。科学家们的想法是：瓦特天平的一端包含有一个普通天平，刚开始，研究人员把一个质量为m的物体悬挂在普通天平的一端，另一端挂着一段总长为L的线圈，线圈位于一个磁场强度为B的磁场中。在线圈中通以强度为i的电流，线圈就受到了一个大小为BLi的力的作用。仔细调节电流强度直至天平恰好平衡（也就是使mg=BLi），再通过一系列等式就可以与普朗克常数联系起来。但实际情况却并非如此简单。科学家们仍然需要测量其他数值，比如，本地重力的大小、最大的误差源以及避免任何形式的振动。

2007年，普拉特采用瓦特天平法测量出了迄今最精确的一个普朗克常数数值——6.62606891×1034Js，误差相对不确定度为36/109。但是，另一个由英国国家物理实验所（NPL）制造、现放置于加拿大国家研究委员会国家测量标准研究所的测量仪器提供了一个不同于美国国家标准与技术研究院的结果，其数值更小。

另外一种获得科学界认可的测量普朗克常数的方法是计数一块纯物质样本的原子数的数量，科学家们由此可以确定阿伏伽德罗常数（0.012千克碳12中包含的碳12的原子数量）的大小。而阿伏伽德罗常数通过另一系列等式，也可以与普朗克常数产生关联。

2008年，德国联邦物理和技术事务研究所的科学家开始利用两个几乎完美的1千克半球进行试验，半球由纯度高达99.995%的硅28制成。自此，他们开始使用高精度的激光干涉仪来确定半球的体积；使用X射线衍射来确定其晶体结构，以便更加精确地计算出原子的数量。到目前为止，他们测出的阿伏伽德罗常数为6.02214082×1023，误差相对不确定度仅仅为30/109。他们再经过一系列等式和换算后得到的普朗克常数的数值与英国国家物理实验所的瓦特天平测量法提供的结果相符合，但与美国国家标准与技术研究院给出的数值不符。

截止到2010年，普朗克常数的推荐值一般定义为6.62606957×1034Js，其相对不确定度为44/109。有些人表示，这一数值足以用来对千克进行重新定义。但是，也有人认为，需要将误差相对不确定度缩小到20/109才能对千克进行重新定义。

普拉特表示：“要想做到这一点可能还需耗费一段时间，我们还要进行一些更严苛更困难的测量工作。”

据国外媒体报道，鉴于国际千克原器质量的变化给物理学家带来了巨大的理论挑战，尤其是对那些需要精确测量的复杂实验而言，因此，在去年10月21日召开的第24届国际计量大会上，国际单位委员会决定淘汰千克原器，用基于普朗克常数h的数值来代替“千克”。

大会还表示，在2014年之前“将不会采用这一常数”，此前还将通过实验评估测量技术的精确性，以确保相对不确定度在20/109以内。如果今后用普朗克常数来表示质量，日常生活不会受到任何影响，比如要买500毫克阿司匹林、半公斤胡萝卜或一艘5万吨的游船，千克仍然是千克。然而，这一变化却会立即对专业实验室的高精检测产生重大影响。

原文来源：科学网原文链接：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/2/259307-1.shtm

《自然》期刊原文链接：http://www.nature.com/news/frontier-experiments-tough-science-1.9723

文中图片均来源于原期刊，版权为THOMAS POROSTOCKY

Raman平整基线

xieshil — Sun, 05 Feb 2012 21:08:00 +0800

有时在进行Raman测试会出现基线的严重上漂，对于这种情况，我们可以通过扣除基线得到比较好的光谱图形。比如我所得到的活性炭的Raman图，由于ZnO的干扰后面出现了严重的基线向上漂移。下面我们就通过origin进行图形的处理使得其基线比较平整，便于下一步的数据处理，诸如分峰及强度比较等。

这里要强调的是，基线的选取对于后面的数据处理有很大的影响，所以最后多次处理，选择一个可以和其他数据相印证的基线，最好不要随便选取一个了事。

首先在origin中选取数据列做好原始图；选中图，在菜单栏中依次选取：

Peaks and Baseline — Peak Analyzer– Open Dialog…

进入基线处理的处理流程图：

图中提供了多种Peaks的“Analyzer”方式，我们选取： Subtract Baseline，而不是Create Baseline，具体的区别请自行体会。

这里提供多种的Baseline 的种类与方式，选择User Defined。值得一提的是，这里也有XPS Baseline的选项，也就是说可以对XPS的数据进行分峰，但我更推荐使用XPSPEAK41软件分峰，索取软件请留言。

点击Next后，这里主要是提供基线的点数，理论上讲，点数越多得到的基线越好，但是对于手动画出基线而言，没有这个必要，手动相对于平时常用的line以及shirly等基线方式，可以说没有什么数学基础，只是想要得到比较好的基线。当然，对于line，在这里我们可以通过给出2个点得到。

点击Find 后就会出现origin“计算”得到的点分布，可以与自己“认为”的基线相比较，增减点的数目，或者在下一步中直接增减也可。

所要强调的是，没两个点间用直线连接得到基线。

这里可以可以选择对上一步的基线进行微调。

点击Add或者Modify/Del后出现下图。

首先点击其中的一个点，变成如图中所示的十字形后可以通过键盘上的方向键对点进行上下移动，后者使用键盘上的Del键删除其中某个点；增加点，首先点击上图中的Add，然后双击图中你认为应该用点的地方即可。

至此结束。得到下图。

下次是origin分峰和计算峰面积。