科学家实现分子振动精准控制，开辟新材料研发与应用新路径

科学家实现分子振动精准控制，开辟新材料研发与应用新路径

分子振动是物质内部微观粒子运动的重要形式，它不仅揭示了物质状态变化的根本原因，还在许多前沿科学领域有着广泛应用。最近的一项研究表明，通过精确控制分子振动，科学家们成功实现了物质状态的快速转换，这为新材料的研发提供了全新思路。了解分子振动如何影响物质状态变化，不仅能让我们更好地掌握自然界的基本规律，还能在日常生活中应用这些知识，比如改善食品保鲜技术和提高能源利用效率。

在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。

温度本质上反映了分子、原子的内部振动的动能以及整体的平移运动的动能。分子的振动能量与温度直接相关，温度越高，分子的振动越剧烈，反之亦然。在气体和液体中，分子间的碰撞不仅改变了分子的平移运动速度，还影响了分子的内部振动，从而实现了热传导，最终达到热平衡。在统计意义上，每个分子的内部振动动能和平移运动动能大致相等，遵循玻尔兹曼分布，这是一种与温度相关的概率分布。

美国和荷兰物理学家成功将钠铯极性分子冷却至接近绝对零度，使1000多个分子处于一个巨大的量子态，形成了分子玻色-爱因斯坦凝聚态。这项成果既可以帮助科学家创造出能无阻力流动的超固体材料，又有助于研制新型量子计算机。相关论文发表于6月3日出版的《自然》杂志。

早在20世纪20年代，爱因斯坦等人预测，当冷却到接近绝对零度时，原子等粒子就不再“单兵作战”，而是“整齐划一”地聚集成一个“超级原子”，形成玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。自1995年以来，物理学家已经实现原子BEC状态，但他们一直期望稳定的分子实现这一目标。研究人员表示，分子能以原子不可能的方式旋转和振动，分子BEC可为物理学家提供模拟和理解更广泛物理现象的可能性，但与原子相比，分子的控制和冷却更具挑战性。

在最新研究中，研究人员利用一团极性分子完成了这一目标。每个极性分子由一个钠原子和一个铯原子组成。他们利用两种微波场操控极性分子：一种控制分子的旋转；另一种则使分子发生振荡。这两个微波场“携手”使分子朝向特定方向，防止了分子之间发生碰撞，这使科学家能够挤出最热分子，从而进一步冷却分子。最终，他们将这些分子冷却至约-273.15℃，得到了由1000多个分子组成的BEC，且其“寿命”长达2秒。

分子BEC不仅有助于科学家更深入地理解量子化学和强相关量子材料的性质，还可能为新型量子计算机的开发奠定基础。

在食品机械领域，技术创新是推动行业进步的关键。近年来，一系列新技术、新材料的应用，不仅提升了食品机械的性能，还拓宽了其应用范围，为食品工业带来了革命性的变化。以下是一些具有代表性的创新技术及其应用实例。

超声波技术在食品加工中的应用

超声波技术通过高频振动产生的能量，能够加速化学反应、促进物质混合与分散，被广泛应用于食品的解冻、杀菌、乳化、提取等过程。例如，超声波解冻设备能在不破坏食品组织结构的前提下，快速均匀地解冻食材，保持食品原有的口感和营养价值。

高压处理技术及其在食品保鲜中的应用

高压处理技术利用高压环境（通常超过100MPa）改变食品的微观结构，达到杀菌、钝酶、改善食品质地等目的。这一技术在果汁、乳制品、肉类等食品的保鲜中展现出巨大潜力，能有效延长食品的保质期，同时保持食品原有的风味和营养成分。

微波杀菌技术在食品保鲜中的应用

微波杀菌设备是指利用微波辐射对细菌、病毒等微生物进行杀灭。微波辐射可以使微生物内部的水分子产生剧烈振动，从而破坏微生物的细胞结构和生物大分子，达到杀菌的效果。微波杀菌技术被广泛应用于食品工业、医疗卫生等领域。微波杀菌是利用微波的电磁波，直接作用于微生物细胞壁，产生热量，从而破坏细胞壁，杀死微生物。微波杀菌可以有效地杀灭大部分细菌和病毒，而且处理时间短。与传统的高温灭菌相比，微波杀菌速度快，可以在较短时间内将食品内部的微生物杀灭，而且不会使食品的口感和营养价值发生明显变化，因此在食品加工和保鲜领域得到了广泛应用。

拉曼光谱是一种指纹识别的、无损的分子光谱技术，不同于红外光谱，拉曼光谱不受水和空气的限制，并且能够获得低波数区域的信号，可以用来分析电极表面反应过程，并且可以通过其特定的拉曼峰识别羟基、活性氧物种、金属-碳键及金属氧化物等，逐渐成为燃料电池中电极材料和界面反应过程分析的重要工具，尤其是表面增强拉曼光谱技术(SERS)和壳层隔绝表面增强拉曼光谱技术(SHINERS)的发展，为研究燃料电池中反应的痕量中间物种，理解燃料电池实际反应机理提供了一种非常好的原位光谱实验平台，有助于合理设计更高效的催化剂及电极材料。

拉曼光谱在能源领域中有多种应用，涉及到能源材料、能源转换和储存等方面。以下是一些典型的应用场景：

1. 能源材料分析：拉曼光谱可以用于分析和表征能源材料的结构和性质。例如，对于太阳能电池中的光伏材料、储能材料中的电极材料或催化剂材料等，通过对其进行拉曼光谱扫描，可以了解材料的晶体结构、表面形貌、晶格缺陷等信息，从而优化材料设计和性能调控。

2. 燃料分析：拉曼光谱可用于燃料的分析和鉴定。通过对燃料样品进行拉曼光谱测量，可以确定其成分和结构特征，如燃料中的化学键、分子振动模式等。这有助于评估燃料的质量、纯度和可燃性，从而指导燃料的开发、选择和使用。

3. 能源转换和储存研究：拉曼光谱在能源转换和储存研究中发挥重要作用。例如，在光催化材料中，通过对催化剂表面的拉曼光谱进行分析，可以了解光催化反应的机理、表面吸附物种和反应活性位点等信息，从而提高催化效率。在电池和储能器件中，拉曼光谱可以用于分析电极材料的变化、界面反应和电解液成分的变化等，有助于改善电池性能和循环稳定性。

4. 生物质能源研究：拉曼光谱在生物质能源研究中有广泛应用。通过对生物质样品的拉曼光谱分析，可以了解生物质的组分特征、纤维素和半纤维素的结构性质等信息，从而指导生物质能源的转化和利用过程。

分子振动作为物质内部微观粒子运动的重要形式，不仅揭示了物质状态变化的根本原因，还在食品保鲜和能源利用等领域展现出广阔的应用前景。随着科学技术的不断发展，我们相信分子振动的研究将为人类带来更多惊喜和突破。