PNAS：單分子成像：結(jié)構(gòu)生物學(xué)的未來

PNAS：單分子成像：結(jié)構(gòu)生物學(xué)的未來

2017年2月20日/生物谷BIOON/--- 結(jié)構(gòu)到功能的研究對(duì)生物學(xué)領(lǐng)域有著重要的意義。自從解析出DNA的三維結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)生物學(xué)幫助科學(xué)家們解析出了更多的生物大分子的結(jié)構(gòu)，解決了很多生物學(xué)的根基上的問題。然而，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展受到了技術(shù)層面上的重大瓶頸。新技術(shù)的出現(xiàn)，將對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展帶了跨越式的進(jìn)展。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解析方法是X光衍射和核磁共振成像（NMR）。X光衍射（X-ray），通過高能的X光轟擊生物大分子的晶體，可以獲得電子密度的信號(hào)，從而可以構(gòu)建出大分子的三維坐標(biāo)，可以解析相對(duì)較大的分子構(gòu)象。但是，X-ray成像的方法有著一定的缺陷，首先是X光衍射需要獲得大分子的晶體，這相當(dāng)之難，同時(shí)晶體狀態(tài)下的大分子構(gòu)象可能并不是生物活性狀態(tài)，而且該方法沒辦法解決更大型的分子。而NMR成像利用氫原子核在強(qiáng)磁場下的共振獲得信號(hào)，可以在溶液狀態(tài)下解析出分子的三維結(jié)構(gòu)。但是NMR受限于強(qiáng)磁場的強(qiáng)度，只能解析較小的生物大分子，也限制了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)生物學(xué)希望能夠獲得更大型、多聚體、復(fù)合物的生物活性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，X-ray和NMR都存在著天然的缺陷。然而，早已出現(xiàn)的電子顯微鏡（EM）卻在近些年來廣泛用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，讓古老的技術(shù)放出了新的活力。更敏感的電子檢測探頭的出現(xiàn)，更高效準(zhǔn)確的計(jì)算重構(gòu)方法，讓該技術(shù)更有潛力。該方法不需要大分子形成晶體，結(jié)合其他的樣本準(zhǔn)備方式，冷凍蝕刻電鏡已經(jīng)成為了單分子成像領(lǐng)域的熱門，可以用來解析超過50千道爾頓到數(shù)千千道爾頓的首選技術(shù)。但是，該方式也存在著一個(gè)問題就是，該方法解析出的結(jié)構(gòu)是分子的平均構(gòu)象，讓得到的機(jī)構(gòu)更加模糊。該問題對(duì)于X-ray和NMR也同樣存在。

然而 Longchamp等人開發(fā)出了一種新的結(jié)構(gòu)解析方法，基于單分子的成像，可以解析出單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)信息，而不平均的構(gòu)象。該方法需要特殊的樣本準(zhǔn)備方法。需要利用離子束將樣本在超真空環(huán)境下的超清潔的石墨烯平面上軟著陸。因?yàn)槭┑姆€(wěn)健的強(qiáng)度，對(duì)電子束超好的透明性，使其成為了生物成像領(lǐng)域的新寵兒，還被用于了高級(jí)的冷凍蝕刻電鏡成像。與電鏡成像不同，該新方法使用傳統(tǒng)的相對(duì)較弱的電子束，來產(chǎn)生成像信號(hào)，避免高強(qiáng)度電子束對(duì)于樣本的損壞。同時(shí)，基于CCD的電子檢測器可以高效收集電子的散射信號(hào)。超清潔的石墨烯基質(zhì)至關(guān)重要，因?yàn)槿⒊上裥枰_地減去背景的電子信號(hào)噪音。CCD獲得電子信號(hào)后通過數(shù)學(xué)方法可以重構(gòu)出單分子的結(jié)構(gòu)圖。

Longchamp等人發(fā)明的單分子全息電子散射成像的方法有著很多好處，首先是需要的電子束要求不高，所以不會(huì)很貴，而且不需要形成晶體來成像。同時(shí)，低能量電子也不會(huì)對(duì)樣品造成太大的破環(huán)。而可以重構(gòu)單分子的三維結(jié)構(gòu)，而不是平均結(jié)構(gòu)，這樣可以抓住蛋白質(zhì)等大分子的多種狀體下的三維結(jié)構(gòu)，這對(duì)于結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物物理學(xué)意義非凡。當(dāng)然，該方法目前只能獲得低精度的結(jié)構(gòu)，更加嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法將幫助該方法，來獲得更好的結(jié)構(gòu)。

盡管現(xiàn)在冷凍蝕刻電鏡（Cryo-EM）正如日中天，單分子全息成像的技術(shù)卻更能代表結(jié)構(gòu)生物學(xué)的未來?；蛟S結(jié)構(gòu)生物學(xué)的大發(fā)展就在不遠(yuǎn)的未來。

全球頂級(jí)風(fēng)投a16z預(yù)言：生物學(xué)正在“吞噬”世界

資本實(shí)驗(yàn)室·今日創(chuàng)新觀察

聚焦前沿 科技 創(chuàng)新與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)

2011年，網(wǎng)景公司創(chuàng)始人、風(fēng)險(xiǎn)投資家馬克·安德森提出了一個(gè)著名的觀點(diǎn)：“軟件正在吞噬世界”。毫無疑問，他的預(yù)言早已變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

而 科技 在不斷進(jìn)化，繼軟件“吞噬”世界之后，下一個(gè)類似的基礎(chǔ)技術(shù)又在哪里？

在最近的一篇文章中，全球頂級(jí)風(fēng)投安德森·霍洛維茲基金（Andreessen Horowitz Fund，簡稱a16z）又提出了一個(gè)新的觀點(diǎn)：生物學(xué)正在“吞噬”世界。有趣的是，馬克·安德森正是這家基金的聯(lián)合創(chuàng)始人。

資本實(shí)驗(yàn)室從這篇文章中梳理出幾個(gè)值得關(guān)注的主要觀點(diǎn)：

1.生物學(xué)已經(jīng)演化為一門工程學(xué)科，并將從根本上改變我們?cè)\斷、治療和管理疾病的方式。

2.未來的藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)是一個(gè)模塊化、可編程、可迭代的過程。

3.伴隨著軟件與人工智能的助力，生物學(xué)相關(guān)的療法也將隨之得到進(jìn)化。

4.技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)整個(gè)醫(yī)療體系的變革，并為創(chuàng)業(yè)公司帶來新的機(jī)會(huì)。

5.生物學(xué)將影響所有行業(yè)，并成為各行業(yè)發(fā)展過程中不可分割的重要組成部分。

6.在生物學(xué)領(lǐng)域，無論是創(chuàng)業(yè)者，還是投資人，都需要建立深厚的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以及跨學(xué)科、跨行業(yè)的學(xué)習(xí)能力。

本文由該基金的幾位普通合伙人Jorge Conde、Vijay Pande和Julie Yoo共同撰寫：

我們正處在一個(gè)新時(shí)代的開端，生物學(xué)已經(jīng)從一門經(jīng)驗(yàn)性的科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T工程學(xué)科。在使用人工方法來控制或操縱生物學(xué)數(shù)千年之后，我們終于開始通過生物工程，利用大自然自己的機(jī)制來設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和改造生物學(xué)。

生物學(xué)工程能力將從根本上改變我們?cè)\斷，治療和管理疾病的方式。

在1980年代初期，重組DNA技術(shù)和第一種生物藥物實(shí)現(xiàn)了第一次重大飛躍。

如今，從被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生新化學(xué)物質(zhì)和蛋白質(zhì)的細(xì)菌，到被設(shè)計(jì)為攻擊癌癥的細(xì)胞，諸如CRISPR和基因電路（gene circuitry）之類的現(xiàn)代工具使我們能夠以越來越高的精度和復(fù)雜性對(duì)生物學(xué)進(jìn)行編程。

同時(shí)，“可編程藥物”（基因，細(xì)胞，微生物，甚至可以改善我們自身 健康 的移動(dòng)應(yīng)用和軟件等形式）的爆炸式增長，使得我們比以往任何時(shí)候都更接醫(yī)學(xué)的圣杯，即治愈方法。

因?yàn)檫@些新藥在本質(zhì)上是工程化和可編程的系統(tǒng)，所以藥物的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)將從一個(gè)定制的過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)迭代的過程。

我們現(xiàn)在可以為一個(gè)特定的靶點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)分子，甚至可以設(shè)計(jì)一個(gè)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以構(gòu)建許多未來的藥物。

與軟件升級(jí)一樣，可編程藥物使得在下一代中改進(jìn)給定藥物變得越發(fā)可能。例如，每一個(gè)新版本的CAR T細(xì)胞（CAR T-cells）都將比上一代更加復(fù)雜。而這些藥物的模塊化意味著新的應(yīng)用將更容易構(gòu)建和重復(fù)利用像樂高積木一樣的通用組件：一旦我們學(xué)習(xí)了如何將基因傳遞給特定疾病中的特定細(xì)胞，我們就更有可能將不同的基因傳遞給另一種疾病的不同細(xì)胞。

不僅生物學(xué)在發(fā)展，療法也在發(fā)展。

現(xiàn)在，你已經(jīng)可以下載一種療法來管理復(fù)雜的慢性疾病，例如糖尿病或行為障礙，這可能比任何現(xiàn)有藥物都更好。針對(duì)復(fù)雜的條件，軟件可能是我們影響生物學(xué)的最佳方法。這些數(shù)字 健康 療法不僅有可能使你變得更好，而且隨著治療時(shí)間的推移，療法自身也會(huì)越來越好。

所有這些功能都基于我們可以生成前所未有的數(shù)據(jù)，再加上能夠理解這些數(shù)據(jù)的先進(jìn)計(jì)算工具。

生物學(xué)非常復(fù)雜，甚至超出了人類思維能夠完全理解的能力，但基于人工智能（AI）的平臺(tái)有可能連接以前看起來像噪聲的點(diǎn)，產(chǎn)生新發(fā)現(xiàn)，甚至改變發(fā)現(xiàn)本身的性質(zhì)。這將推動(dòng)新型療法和下一代診斷技術(shù)的發(fā)展，使我們能夠及早發(fā)現(xiàn)癌癥等疾病，甚至可以在疾病開始之前就將其終止。

我們正處于一個(gè)獨(dú)特的時(shí)刻，我們的整個(gè)醫(yī)療體系都在通過技術(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上阻礙醫(yī)療體系變革的因素，如激勵(lì)機(jī)制失調(diào)和缺乏透明度，終于在發(fā)生變化。最終，病人將成為這個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)強(qiáng)有力的利益相關(guān)者。而醫(yī)療保健正被推到醫(yī)院的范疇之外，每天都有新的模式出現(xiàn)，無論你身在何處，醫(yī)療服務(wù)都能方便地為你提供。

在所有這些領(lǐng)域中，技術(shù)正在減少摩擦、引入自動(dòng)化，并為具有成本效益的臨床服務(wù)提供新的方法。在這個(gè)市場上構(gòu)建成功的產(chǎn)品和服務(wù)將始終需要深刻理解當(dāng)今復(fù)雜的醫(yī)療價(jià)值鏈，以及如何融入其中。

但是，支付模式的創(chuàng)新以及對(duì)醫(yī)療體系不斷擴(kuò)展的定義正暴露出系統(tǒng)中的空白，而這些空白可以由新創(chuàng)公司來填補(bǔ)。展望未來，醫(yī)療市場的主導(dǎo)者將是技術(shù)公司。

當(dāng)然，生物學(xué)不僅會(huì)影響人類的 健康 和疾病。憑借其無與倫比的進(jìn)化，復(fù)制和創(chuàng)造能力，生物學(xué)是地球上最先進(jìn)的制造技術(shù)之一。我們已經(jīng)看到它可以改變食品、農(nóng)業(yè)、紡織、制造業(yè)，以及使用基于DNA的計(jì)算機(jī)甚至軟件本身。

今天的生物學(xué)是50年前的信息技術(shù)，在觸及我們生活的所有邊緣。就像軟件一樣，生物學(xué)有一天將成為每個(gè)行業(yè)的一部分。

下一代公司將由擁有廣泛專業(yè)知識(shí)的跨學(xué)科的新一代創(chuàng)始人建立。未來的生物公司將借鑒消費(fèi)者、企業(yè)、金融 科技 以及其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的前輩的經(jīng)驗(yàn)。因此，我們相信在這個(gè)領(lǐng)域的投資者也需要具有深厚的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并且需要多學(xué)科的研究，以便在行業(yè)不斷變化的情況下為創(chuàng)始人提供支持。

我們生活在生物學(xué)的世紀(jì)，生物學(xué)正在吞噬世界。

《科學(xué)》（20210806出版）一周論文導(dǎo)讀

編譯 | 未玖

Science , 06 AUGUST 2021, VOL 373, ISSUE 6555

《科學(xué)》 2021年8月6日，第373卷，6555期

物理學(xué) Physics

Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with two-dimensional trapped-ion crystals

二維捕獲離子晶體對(duì)位移和電場的量子增強(qiáng)傳感

作者：Kevin A. Gilmore, Matthew Affolter, Robert J. Lewis-Swan, Diego Barberena, Elena Jordan, Ana Maria Rey.

鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/673

摘要

完全可控的超冷原子系統(tǒng)正在為量子傳感創(chuàng)造機(jī)會(huì)，但通過利用糾纏展示有價(jià)值應(yīng)用中的量子優(yōu)勢仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

研究組實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多體量子增強(qiáng)傳感器，使用約150個(gè)捕獲離子的晶體來探測位移和電場。晶體的質(zhì)心振動(dòng)模式作為高Q機(jī)械振蕩器，集體電子自旋作為測量裝置。

通過糾纏振蕩器和集體自旋，并通過多體回波控制相干動(dòng)力學(xué)，位移被映射為自旋旋轉(zhuǎn)，同時(shí)避免了量子反作用和熱噪聲。

研究組實(shí)現(xiàn)了低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限8.8 0.4分貝的位移靈敏度，以及在1秒內(nèi)測量240 10納伏/米的電場靈敏度。適當(dāng)改進(jìn)后應(yīng)該能夠利用捕獲離子來尋找暗物質(zhì)。

Abstract

Fully controllable ultracold atomic systems are creating opportunities for quantum sensing, yet demonstrating a quantum advantage in useful applications by harnessing entanglement remains a challenging task. Here, we realize a many-body quantum-enhanced sensor to detect displacements and electric fields using a crystal of ~150 trapped ions. The center-of-mass vibrational mode of the crystal serves as a high-Q mechanical oscillator, and the collective electronic spin serves as the measurement device. By entangling the oscillator and collective spin and controlling the coherent dynamics via a many-body echo, a displacement is mapped into a spin rotation while avoiding quantum back-action and thermal noise. We achieve a sensitivity to displacements of 8.8 0.4 decibels below the standard quantum limit and a sensitivity for measuring electric fields of 240 10 nanovolts per meter in 1 second. Feasible improvements should enable the use of trapped ions in searches for dark matter.

Modeling of emergent memory and voltage spiking in ionic transport through angstrom-scale slits

埃級(jí)別狹縫離子輸運(yùn)中的新興記憶和電壓尖峰模型

作者：Paul Robin, Nikita Kavokine, Lydéric Bocquet.

鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/687

摘要

納米流體學(xué)的最新進(jìn)展使水能夠限制在單個(gè)分子層內(nèi)。這種單分子層電解質(zhì)有望通過離子傳輸?shù)姆肿涌刂茖?shí)現(xiàn)生物激發(fā)功能。然而，人們對(duì)這些體系中的離子動(dòng)力學(xué)的了解仍然很少。

研究組發(fā)展了一個(gè)由分子動(dòng)力學(xué)模擬支持的分析理論，該理論預(yù)測了離子輸運(yùn)在準(zhǔn)二維狹縫中的強(qiáng)非線性效應(yīng)。

研究組發(fā)現(xiàn)，在電場作用下，離子聚集成細(xì)長的團(tuán)簇，其緩慢的動(dòng)力學(xué)行為導(dǎo)致滯后傳導(dǎo)。這種現(xiàn)象被稱為憶阻效應(yīng)，可以用來構(gòu)建基本神經(jīng)元。

作為概念證明，研究組對(duì)兩個(gè)納米流體狹縫進(jìn)行了分子模擬，重現(xiàn)了霍奇金-赫胥黎模型，并觀察了具有神經(jīng)形態(tài)活動(dòng)特征的電壓尖峰自發(fā)發(fā)射。

Abstract

Recent advances in nanofluidics have enabled the confinement of water down to a single molecular layer. Such monolayer electrolytes show promise in achieving bioinspired functionalities through molecular control of ion transport. However, the understanding of ion dynamics in these systems is still scarce. Here, we develop an analytical theory, backed up by molecular dynamics simulations, that predicts strongly nonlinear effects in ion transport across quasi–two-dimensional slits. We show that under an electric field, ions assemble into elongated clusters, whose slow dynamics result in hysteretic conduction. This phenomenon, known as the memristor effect, can be harnessed to build an elementary neuron. As a proof of concept, we carry out molecular simulations of two nanofluidic slits that reproduce the Hodgkin-Huxley model and observe spontaneous emission of voltage spikes characteristic of neuromorphic activity.

材料科學(xué) Materials Science

Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys

施瓦茨晶體結(jié)構(gòu)抑制過飽和鋁鎂合金中的原子擴(kuò)散

作者：W. Xu, B. Zhang, X. Y. Li, K. Lu.

鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/683

摘要

金屬中的高原子擴(kuò)散率可通過調(diào)整擴(kuò)散過程實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)和性能的可調(diào)性，但這會(huì)導(dǎo)致其定制性能在高溫下不穩(wěn)定。通過制造單晶或大量合金化消除擴(kuò)散界面有助于解決這一問題，但不會(huì)抑制高同系溫度下的原子擴(kuò)散。

研究組發(fā)現(xiàn)施瓦茨晶體結(jié)構(gòu)在具有極細(xì)晶粒的過飽和鋁鎂合金中可有效抑制原子擴(kuò)散。通過形成這些穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，納米晶粒中擴(kuò)散控制的金屬間化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化溫度，在此溫度附近，表觀跨邊界擴(kuò)散率降低了約七個(gè)數(shù)量級(jí)。

利用施瓦茨晶體結(jié)構(gòu)開發(fā)先進(jìn)的高溫應(yīng)用工程合金意義重大。

Abstract

High atomic diffusivity in metals enables substantial tuneability of their structure and properties by tailoring the diffusional processes, but this causes their customized properties to be unstable at elevated temperatures. Eliminating diffusive interfaces by fabricating single crystals or heavily alloying helps to address this issue but does not inhibit atomic diffusion at high homologous temperatures. We discovered that the Schwarz crystal structure was effective at suppressing atomic diffusion in a supersaturated aluminum–magnesium alloy with extremely fine grains. By forming these stable structures, diffusion-controlled intermetallic precipitation from the nanosized grains and their coarsening were inhibited up to the equilibrium melting temperature, around which the apparent across-boundary diffusivity was reduced by about seven orders of magnitude. Developing advanced engineering alloys using the Schwarz crystal structure may lead to useful properties for high-temperature applications.

Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling

被動(dòng)日間輻射冷卻的形態(tài)分級(jí)超材料織物

作者：Shaoning Zeng, Sijie Pian, Minyu Su, Zhuning Wang, Maoqi Wu, Xinhang Liu, et al.

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https://science.sciencemag.org/content/373/6555/692

摘要

將被動(dòng)輻射冷卻結(jié)構(gòu)融入個(gè)人熱管理技術(shù)可有效保護(hù)人類免受日益加劇的全球氣候變化影響。

研究組發(fā)現(xiàn)，由于整個(gè)超材料織物中隨機(jī)分散的散射體的形態(tài)分級(jí)設(shè)計(jì)，大規(guī)模編織的超材料織物可在大氣窗口中具有94.5%的高發(fā)射率，在太陽光譜中具有92.4%的高反射率。

通過可擴(kuò)展的工業(yè)紡織品制造路線，研究組的超材料織物在保持高輻射冷卻能力的同時(shí)，展現(xiàn)出了商業(yè)服裝理想的機(jī)械強(qiáng)度、防水性和透氣性。實(shí)際應(yīng)用測試表明，這種超材料織物覆蓋的人體溫度可比商用棉織物覆蓋的人體溫度低約4.8 。

超材料織物的成本效益和高性能為智能服裝、智能紡織品和被動(dòng)輻射冷卻應(yīng)用提供了巨大優(yōu)勢。

Abstract

Incorporating passive radiative cooling structures into personal thermal management technologies could effectively defend humans against intensifying global climate change. We show that large-scale woven metafabrics can provide high emissivity (94.5%) in the atmospheric window and high reflectivity (92.4%) in the solar spectrum because of the hierarchical-morphology design of the randomly dispersed scatterers throughout the metafabric. Through scalable industrial textile manufacturing routes, our metafabrics exhibit desirable mechanical strength, waterproofness, and breathability for commercial clothing while maintaining efficient radiative cooling ability. Practical application tests demonstrated that a human body covered by our metafabric could be cooled ~4.8 C lower than one covered by commercial cotton fabric. The cost-effectiveness and high performance of our metafabrics present substantial advantages for intelligent garments, smart textiles, and passive radiative cooling applications.

Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges

半導(dǎo)體量子點(diǎn)：技術(shù)進(jìn)步與未來挑戰(zhàn)

作者：F. Pelayo García de Arquer, Dmitri V. Talapin, Victor I. Klimov, Yasuhiko Arakawa, Manfred Bayer, Edward H. Sargent.

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https://science.sciencemag.org/content/373/6555/eaaz8541

摘要

在量子限域的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中，電子表現(xiàn)出與塊狀固體不同的行為。這使得設(shè)計(jì)具有可調(diào)化學(xué)、物理、電學(xué)和光學(xué)特性的材料成為可能。

零維半導(dǎo)體量子點(diǎn)（QD）在可見光和紅外波長范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的光吸收和明亮的窄帶發(fā)射，并已被設(shè)計(jì)用于顯示器件光學(xué)增益和激光。這些特性對(duì)成像、太陽能采集、顯示和通信都很有意義。

研究組詳述了量子點(diǎn)納米材料的合成和機(jī)理進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了膠體量子點(diǎn)，并討論了它們?cè)陲@示與照明、激光、傳感、電子、太陽能轉(zhuǎn)換、光催化和量子信息等技術(shù)方面的前景。

Abstract

In quantum-confined semiconductor nanostructures, electrons exhibit distinctive behavior compared with that in bulk solids. This enables the design of materials with tunable chemical, physical, electrical, and optical properties. Zero-dimensional semiconductor quantum dots (QDs) offer strong light absorption and bright narrowband emission across the visible and infrared wavelengths and have been engineered to exhibit optical gain and lasing. These properties are of interest for imaging, solar energy harvesting, displays, and communications. Here, we offer an overview of advances in the synthesis and understanding of QD nanomaterials, with a focus on colloidal QDs, and discuss their prospects in technologies such as displays and lighting, lasers, sensing, electronics, solar energy conversion, photocatalysis, and quantum information.

化學(xué) Chemistry

Watching a hydroperoxyalkyl radical (?QOOH) dissociate

觀察氫過氧烷基自由基（?QOOH）離解

作者：Anne S. Hansen, Trisha Bhagde, Kevin B. Moore III, Daniel R. Moberg, Ahren W. Jasper, Yuri Georgievskii, et al.

鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/679

摘要

通過紅外指紋圖譜，研究人員可直接觀察到一種在揮發(fā)性有機(jī)化合物氧化過程中短暫形成的典型氫過氧烷基自由基（?QOOH）中間體，可能量依賴性單分子衰變?yōu)榱u基自由基和環(huán)醚產(chǎn)物。

在寬能量范圍內(nèi)，?QOOH單分子離解率直接時(shí)域測量的結(jié)果，與使用最先進(jìn)的過渡態(tài)勢壘區(qū)電子結(jié)構(gòu)表征的理論預(yù)測結(jié)果一致。

大量重原子隧穿增強(qiáng)了單分子衰變，包括沿反應(yīng)途徑的O-O延伸和C-C-O角收縮。主方程模型對(duì)?QOOH中間體的壓力依賴性熱單分子離解率進(jìn)行了全面的先驗(yàn)預(yù)測（重原子隧穿再次增加了該離解率），這是大氣化學(xué)和燃燒化學(xué)全球模型所需的。

Abstract

A prototypical hydroperoxyalkyl radical (?QOOH) intermediate, transiently formed in the oxidation of volatile organic compounds, was directly observed through its infrared fingerprint and energy-dependent unimolecular decay to hydroxyl radical and cyclic ether products. Direct time-domain measurements of ?QOOH unimolecular dissociation rates over a wide range of energies were found to be in accord with those predicted theoretically using state-of-the-art electronic structure characterizations of the transition state barrier region. Unimolecular decay was enhanced by substantial heavy-atom tunneling involving O-O elongation and C-C-O angle contraction along the reaction pathway. Master equation modeling yielded a fully a priori prediction of the pressure-dependent thermal unimolecular dissociation rates for the ?QOOH intermediate—again increased by heavy-atom tunneling—which are required for global models of atmospheric and combustion chemistry.

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