结构单元

p 　　热分析技术根据被测物理量的物理性质来分共有九大类、17种方法。所组成的热分析仪器就更多了。通常热分析仪器由程序温度控制器、炉体、物理量检测放大单元、微分器、气氛控制器、显示和打印以及计算机数据处理系统7部分组成。其框图如图所示。 /p p /p p style=" text-align: center " img width=" 400" height=" 370" title=" 热分析仪器框图.jpg" alt=" 热分析仪器框图.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/50c889b4-1faf-48a2-a5d8-4f834ac222d1.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 热分析仪器框图 /strong /p p strong 一、程序温度控制器 /strong /p p 　　它是使试样在一定温度范围内进行等速升温、降温和恒温。通常使用的升温速率为10℃/min或20℃/min。而程序温度速率可为0.01~999℃/min。近代程序温控仪大多由微机完成程序温度的编制、热电偶的线性化、PID调节以及超温报警等功能。 /p p strong 二、炉体部分 /strong /p p 　　它是使试样在加热或冷却时得到支撑。炉体部分包括加热元件、耐热瓷管、试样支架、热电偶以及炉体可移动的机械部分等。炉体的温度范围最低为-269℃(液氦制冷)，最高可达2800℃(在高真空下用石墨管或钨管加热，用光学高温计测温)。炉体内的均温区要大，试样放在均温区中。因为试样各部分的温度是否均匀对热分析的结果有一定的影响。 /p p strong 三、物理量检测放大单元 /strong /p p 　　热分析仪器必须能随试样温度的变化及时而准确地检测试样的某些物理性质。 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 由于绝大多数被测物理量是非电量，它们的变化往往又是很微小的，为了及时而准确地检测它们，需要把这些非电量转换成电量，加以放大，再通过定标计算出被测参数。 /span 差示测量方法可以提高测量的 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 灵敏度 /span 和 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 准确度 /span ，因此应用得很普遍。 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 非电量转变为电量可以通过各种传感器来完成。 /span 例如 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 称重传感器、位移传感器、光电传感器、热电偶传感器、声电传感器 /span 等。物理量的检测系统是各种热分析仪器的 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 核心 /span ，也是区分各种热分析仪器的本质部分，它的性能是衡量热分析仪器水平的一个重要标志。 /p p strong 四、微分器 /strong /p p 　　它是把非电量传感器的放大信号经过一次微分(导数)，从微分(对时间)曲线中可以更明显地看出放大信号的拐点、最大斜率等。 /p p strong 五、气氛控制器 /strong /p p 　　热分析仪器对试样所处的气氛条件有各种要求，因此，大多热分析仪器备有气氛控制系统。热分析对气氛条件的要求有如下原因。 /p p 　　高温下试样可能在空气中被氧化而完全改变原来的特性，故要求在真空或惰性气氛下升温，或在某种反应气氛下升温。 /p p 　　热分析与其他分析技术联用时，要求把热分析过程中所产生的气相产物利用流动载气送出。 /p p 　　要求有适当的气路把热分析过程中所产生的腐蚀性气体或有毒气体排出。 /p p 　　相当的热分析课题是研究气氛的种类、压力、流动速率以及活性程度等对热分析结果的影响。热分析仪器按气氛条件可分为高真空型、低真空型、常压型、高压型、静态型和流动型等。 /p p strong 六、计算机数据处理系统 /strong /p p 　　近年来，由于计算机的快速发展、软件的不断完善，大大推动了数据处理系统。首先把采集来的数据进行各种方法的滤波平滑 然后，应用软件对标准物质进行温度校正和焓变校正、长度校正、质量校正以及基线背景线的扣除等。应用软件求取试样的焓变值、熔点、晶相转变温度、玻璃化转变温度、试样成分的组成、膨胀系数等。还有一些软件需要对数学公式进行分析、简化，适合于热分析应用。例如动力学参数的求取、药品纯度的求取。 /p p strong 七、显示和打印 /strong /p p 　　它是把热分析曲线及其处理结果在显示屏上显示出来，并用彩色喷墨机或激光打印机打印出来。同时在显示屏上用鼠标进行各种操作。 /p

p 　　中国科学院金属研究所研究员陈春林与日本东京大学教授Yuichi Ikuhara、重庆大学副教授尹德强等人合作，在陶瓷材料中发现了区别于晶体、准晶体和非晶体的固态物质新结构一维有序结构(或称为一维有序晶体)。 /p p 　　固态物质按其微观结构的对称性可分为三大类：晶体、准晶体和非晶体。晶体具有旋转对称性和平移对称性，其原子有规则地在三维空间呈周期性重复排列。准晶体具有旋转对称性，但不具有平移对称性。准晶体的原子排列具有长程有序，但不具有三维平移周期性。非晶体不具有旋转对称性和平移对称性，其原子排列不具有长程有序。以上是发现准晶体以后，人们对固态物质结构的普遍认识。 /p p 　　 strong 陈春林等人利用扫描透射电子显微术与第一性原理理论计算相结合的方法，在MgO和Nd2O3薄膜材料中发现了一维有序晶体 /strong ，更新了人们对固态物质结构的认识。该结构仅在一个方向上保留了晶体的平移对称性和周期性，在其他方向上其原子呈现无序排列，形成了具有一维平移周期性的长程有序结构。构成一维有序晶体的结构单元的原子排列与重位点阵倾转晶界的结构单元非常类似。研究表明，尽管MgO晶体是能隙为7.4 eV的绝缘体，MgO一维有序晶体则是能隙为3.2eV的宽带半导体。一维有序晶体的发现表明固态物质结构的种类比人们的已有认知更加丰富，并且新结构的物理性质与相应常见结构类型具有显著差异。 /p p 　　该项研究得到中科院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金与国家青年千人计划等的资助。相关成果于12月10日在《自然-材料》(Nature Materials)上在线发表。 /p p 　　　　 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/a6156720-4898-4aae-8502-60e0cf6bf38b.jpg" title=" 1.png" alt=" 1.png" width=" 300" height=" 200" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 300px height: 200px " / /p p style=" text-align: left " 　　 span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 图1 一维有序晶体的原子结构示意图。MgO一维有序晶体可由MgO晶界结构单元组合而成。 /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/741f2e4a-0118-41df-bb7f-74d99be22ea3.jpg" title=" 2.png" alt=" 2.png" width=" 300" height=" 200" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 300px height: 200px " / /p p span style=" text-align: left " 　 /span span style=" color: rgb(0, 0, 0) " span style=" text-align: left " 　 /span span style=" text-align: left " 图2 形成于三叉晶界区域的MgO一维有序晶体的ABF STEM像(见区域I和II)。MgO一维有序晶体由许多六边形结构单元构成(彩色阴影所示)，其原子排列与MgOΣ5 (210)[001]晶界结构单元类似。 /span /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/a509e4ef-abf9-4570-91f0-ece9446a2cc6.jpg" title=" 3.png" alt=" 3.png" width=" 300" height=" 200" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 300px height: 200px " / /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 图3 DFT理论计算与STEM-EELS分析确定MgO一维有序晶体的原子与电子结构。MgO晶体是能隙为7.4 eV的绝缘体，MgO一维有序晶体则是能隙为3.2eV的宽带半导体。 /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/86a73063-886d-4be0-81c8-17cbac93a2da.jpg" title=" 4.png" alt=" 4.png" width=" 300" height=" 200" border=" 0" vspace=" 0" style=" width: 300px height: 200px " / /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 图4 Nd2O3薄膜材料中的一维有序晶体。Nd2O3一维有序晶体由许多六边形结构单元构成(彩色阴影所示)，其原子排列与Nd2O3Σ9 (221) 晶界结构单元类似。 /span /p

随着组织工程领域的发展，生物材料界面与细胞的相互作用及物理机制成为研究热点。生物界面的拓扑形貌可以有效调控细胞行为并影响细胞功能。而体内的一些生理过程如胚胎发育、免疫应答和组织更新与重塑等往往涉及多细胞的集体行为。肿瘤的侵袭和转移也与集体细胞的协调运动有关。细胞球作为一种体外三维细胞培养模型，具有强烈的细胞-细胞相互作用，可在细胞生理学、信号通路、基因和蛋白表达以及气体/营养物质梯度等方面更好地模拟体内环境。因此，明确材料表面拓扑结构与细胞球的相互作用对探究体内生理、病理机制具有重要意义。然而，当前同时具有厘米级尺度和微纳米精度的跨尺度微纳拓扑结构尚难以快速制备。 　　近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室研究员郑美玲团队在跨尺度微纳拓扑结构制备及细胞球浸润性调控方面取得了新进展。该团队提出采用飞秒激光无掩膜投影光刻技术（MOPL）制备大面积兼具高精度的微盘阵列拓扑结构以研究细胞球的浸润性。该研究发现细胞球在多种不同单元直径的微盘阵列拓扑结构上展示出不同的浸润速度。研究通过分析细胞形态、骨架分布和细胞黏附，解析了细胞球浸润速度的变化机制，并发现了细胞球在大尺寸和小尺寸的微盘结构单元上采取不同的浸润模式。该研究揭示了细胞球对跨尺度微纳拓扑结构的响应机制，为探讨组织浸润行为提供了参考。 　　MOPL是一种高效率且能灵活化地制备微纳拓扑结构的技术。考虑到单个细胞的尺寸以及细胞球浸润过程中与大面积拓扑结构的相互作用，该工作利用MOPL技术制备了高度低于1μm，且拓扑单元直径分别为2、5、20和50 μm的大面积（8 mm × 10 mm）微盘阵列结构（图1）。 　　该研究采用超低吸附法制备了大小均一的人肾透明细胞癌细胞的细胞球。进一步，科研人员利用激光扫描共聚焦荧光显微镜对细胞球在微盘阵列拓扑结构上的动态浸润行为进行观察。细胞球在一系列微盘阵列拓扑结构上发生了完全浸润并展现出不同的浸润面积。结合细胞球铺展理论，通过量化不同时间点的细胞球浸润面积，研究发现细胞球的浸润速度在2、5、50和20 μm直径的微盘结构单元上依次减小，且细胞球在直径为20 μm的微盘结构单元上具有较小的细胞-基底黏附能（图2）。 　　进一步地，研究人员利用免疫荧光染色分析了多种不同微盘结构上的细胞形态、肌动蛋白和黏着斑分布，提出了细胞球在直径2μm和5 μm的小尺寸的微盘结构上采取攀爬模式浸润，以及在直径20μm和50 μm的较大尺寸的微盘结构上采取绕行模式浸润（图3）。细胞球的浸润过程表现为一种多细胞的集体协调运动。 　　该研究揭示了细胞球在各向同性微盘阵列拓扑结构表面的浸润机制，深化了对于细胞球与界面拓扑结构相互作用的认知。本工作是飞秒激光面投影纳米光刻技术及应用的拓展。相关研究成果发表在Small上。研究工作得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、国家自然科学面上基金项目和中科院国际伙伴计划等的支持。