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薄膜的固态去湿（SSD）可引发形貌从连续薄膜向渗流阈值以上的孤立纳米结构演化。然而，与完全形成的纳米粒子相比，通过低度固态去湿制备的金薄膜（即金网络纳米结构）在可见光至中红外区域展现出更宽的等离激元吸收。借助时域有限差分（FDTD）分析，从电场分布与消光效率角度系统研究了金网络的光学特性。研究表明，这种半成型的不规则纳米结构即使在高达1900 nm波长处仍具有强等离激元共振。通过532 nm激光激发的表面增强拉曼光谱检测了低度与高度去湿样品的单色等离激元响应；对于多色光，则采用太阳模拟器评估TiO₂/金网络复合薄膜的光电流性能。结果表明金网络在多色局域等离激元共振激发场景（如太阳辐射）中具有提升光电性能的巨大潜力。

本文聚焦于双级纳米定位系统的轨迹重设计方法，同时兼顾速度、行程与分辨率三大性能指标。双级纳米定位系统因其独特的长行程高速运行能力而日益普及。传统双级系统轨迹分配方法通常基于作动器频率特性，该过程可能导致参考信号的短行程低频分量分配失当。本研究提出一种基于行程-时间域的系统化轨迹重设计流程：首先根据可达定位带宽对目标轨迹进行时间分割，继而依据可达行程与定位分辨率进行空间分割。采用基于逆模型的前馈控制技术补偿压电式双级定位器的动态与迟滞特性；该控制架构的选取既突显新轨迹设计方法的改进效益，也适配于传感能力有限的平台。通过仿真与原子力显微镜实验验证，本重构方法相较仅考虑频率或行程的方案展现出显著优势。

本研究通过采用贵金属基底（金、银、铂）增强光诱导力显微镜（PiFM）技术，实现了对约360个分子体积的样品进行亚10纳米空间分辨率采样，并在样品-针尖结区产生强场增强效应。该技术展现了PiFM的普适性与稳健性，为超灵敏与超空间分辨率的界面研究提供了广阔应用前景。

材料研究协会（MRS）奖项与表彰计划旨在认可推动材料研究进展的杰出贡献者及其成就。在秋季会议上，MRS将冯·希佩尔奖授予IBM T.J.沃森研究中心的Jerry D. Tersoff，以表彰其在低维与纳米电子材料理解方面的突破性工作；麻省理工学院的Paula T. Hammond因其在自组装大分子系统的科学、工程与应用方面的贡献，获选为大卫·特恩布尔讲座教授；加州大学圣地亚哥分校的卢騋（Lu Sham）因对分子与固体量子理论（特别是密度泛函理论的Kohn-Sham方程）的开创性贡献荣获材料理论奖；伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Catherine J. Murphy与劳伦斯伯克利国家实验室的郑海梅（Haimei Zheng）因在各向异性纳米材料研究、转化与应用方面的杰出成就当选MRS奖章获得者。

金属有机框架（MOFs）因其高度化学可调性与优异孔隙率成为多种应用的潜力材料。通过将MOF制备成（薄）膜形式，可获得额外特性与潜在应用。本文报道通过旋涂法合成的铜(II) 1,3,5-苯三羧酸盐（Cu-BTC）MOF薄膜，形成纤维状"纳米网"结构。采用光诱导力显微镜（PiFM）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）研究这些表面负载型MOF（SURMOF）。确定最佳前驱体浓度为10 mM，可获得化学均匀的纯净纳米网。通过调节旋涂转速可调控纳米网的形貌与（未）配位Cu位点：X射线衍射（XRD）分析表明，当转速≥2000转/分（前驱体为水/乙醇溶液）时，生成一维链状三水-μ-(1,3,5-苯三羧酸)-铜(II)配位聚合物（Cu(BTC)(H₂O)₃）。X射线光电子能谱（XPS）显示纳米网中缺陷性Cu⁺位点数量显著减少，主要包含配位Cu²⁺路易斯酸位点（LAS）及有机连接子间的氢键等相互作用。最终通过催化α-环氧蒎烷异构化反应验证Cu位点的路易斯酸性：更高LAS数量（≥3000转/分）使樟脑醛选择性高达87.7%。本研究凸显了微观与光谱联用技术在空间分辨水平理解MOF薄膜本质中的重要作用。

下一代集成电路图案化面临的挑战正推动半导体行业超越传统光刻方法，以持续实现成本效益化的尺寸微缩。嵌段共聚物（BCPs）的导向自组装（DSA）是一种纳米加工技术，可用于缩减传统光学方法制备图案的周期。具有大相互作用参数（χeff）的BCP可实现更小节距与更窄界面宽度。理论上增大χeff也有望降低线边缘粗糙度（LER）——集成电路的关键性能参数。提升χeff的一种方法是将BCP与相选择性添加剂（如离子液体IL）共混。IL不影响两相的刻蚀速率，因此可直接探究由更高χeff驱动的界面宽度减小是否转化为更低LER。本研究检测了IL对BCP层厚与界面宽度的影响，以及DSA图案化样品中相应的LER变化。结果表明通过添加剂共混提高χeff未必会降低LER，这为未来材料体系明确了重要设计准则。

聚合物太阳能电池（PSCs）虽展现出优异的光伏性能，但将光谱响应范围扩展至紫外（UV）区并增强紫外光稳定性仍是其发展面临的两大挑战。镧系下转换材料可吸收紫外光并重新发射与活性层材料PTB7-Th（聚[[2,6'-4,8-二(5-乙基己基噻吩基)苯并[1,2-b;3,3-b]二噻吩][3-氟-2[(2-乙基己基)羰基]噻吩并[3,4-b]噻吩二基]]）及PBDB-T-2F吸收匹配的可见光，从而提升PSCs的光伏性能与紫外稳定性。本研究将下转换材料Eu(TTA)₃phen（ETP）引入PSCs阴极传输层（ZnO）中，通过调控其纳米结构形貌以实现其在PSCs超精细结构中的应用。基于ZnO/ETP电子传输层的器件可获得9.22%（PTB7-Th:PC₇₁BM器件）和13.12%（PBDB-T-2F:IT-4F器件）的功率转换效率。此外，在PTB7-Th:PC₇₁BM器件研究中，ZnO/ETP基器件的稳定性较纯ZnO器件提升70%。结果表明，ZnO/ETP层兼具提升光伏性能、延长器件稳定性以及减少PSCs光损耗与紫外降解的多重功能。

针尖增强红外光谱与成像技术已被广泛应用于前沿研究，以深入理解纳米尺度界面的组成、结构及功能。然而，分子单层灵敏度此前仅在固/气界面得到验证。在水环境中，由于悬臂振荡的强烈阻尼及背景红外吸收导致的灵敏度下降，极大限制了针尖增强红外纳米光谱的实际应用。本研究通过光诱导力（PiF）显微镜与谐振天线的结合，实现了水环境中超灵敏的纳米级红外光谱与成像。针尖末端与天线间高度局域的电磁场将光诱导力极端放大至可检测水平，而通过等离激元内反射模式的激发最小化了环境吸收。成功在水环境中识别出原子力显微镜针尖上功能化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层（约1-2 nm厚度），并验证了不同尺寸天线的适应性。通过天线电场（E）分布图谱证实，对PDMS中约604个化学键的采样体积实现了亚10 nm空间分辨率，充分满足界面光谱学的核心要求。该平台首次展示了光诱导力显微镜在水环境的应用，为实现高度增强的纳米级红外信号提供了全新构型，对水环境界面与纳米系统的未来研究具有极高前景。

当光照射金属针尖与样品形成的结区时，不同机制可能同时贡献于所测光诱导力。特别值得关注的是针尖与样品中诱导偶极子间的瞬时作用力，以及结区热效应产生的力。这两种力机制的关键区别在于其光谱行为：热响应幅度遵循耗散型（吸收性）洛伦兹线型，反映光与物质的热交换过程；而诱导偶极力响应呈现色散型光谱，与材料极化率的实部相关。由于两种相互作用幅度时常相当，基于力检测的纳米尺度光谱成像中化学选择性的起源常不明确。本文通过理论与实验阐明了中红外波段光照射如何在针尖-样品结区引发这两种光诱导力，并通过讨论光谱依赖力相互耦合的情形，全面揭示了光谱力的起源。该分析为异质材料的纳米级化学测量提供了清晰定量阐释，并揭示了基于光机械力的光谱纳米镜技术中光-物质耦合的本质特性。

光诱导力显微镜（PiFM）通过测量原子级尖锐针尖与样品在辐射作用下的受力变化进行检测。多种机制共同贡献于总作用力，包括样品与针尖热效应引入的力。本文研究了与PiFM相关的光照条件下缩回针尖的激光加热效应及其对悬臂梁机械共振特性的影响。使用金涂层硅悬臂梁并以其针尖接受532 nm紧聚焦激光束照射，发现针尖温度以7.5 K/mW的平均激光功率线性上升（无论脉冲或连续波激光）。该温升导致悬臂梁弹性系数降低与阻尼系数增加。实验证明，对于缩回针尖，这些热诱导的机械共振变化对测量的光诱导力影响有限——因为在实验相关条件下，测得的散射力至少比激光加热引入的有效力高一个数量级。

采用红外光诱导力显微镜研究聚氨酯-丙烯酸杂化及共混体系水性涂层的表面化学组成。通过监测光学驱动的分子偶极子与金属涂层针尖中镜像偶极子的相互作用，获得了涂层表面三维化学组成的详细信息，局部分辨率达20 nm。研究确定涂层基质为聚氨酯，而聚丙烯酸酯颗粒分散于薄膜中。杂化涂层中两相分离的尺寸尺度远小于共混体系，这是因为杂化粒子合成过程中丙烯酸单体是在聚氨酯分散阶段引入的，而非简单混合两种聚合物颗粒。光诱导力显微镜被证明是识别和可视化涂层表面纳米尺度不同化学物种的有力工具。

衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）是一种强大的技术，可在水溶液动态反应过程中提供结构与功能信息。现有局限性在于难以原位实时从背景水信号中提取痕量分析物的特征信号。本研究提出一种新型ATR-SEIRAS平台，将大规模三角形金天线阵列集成于传统ATR-IR平台，显著提升该分析技术的灵敏度。通过纳米球光刻技术在硅棱镜上制备了平方厘米级有序金天线阵列，其尺寸依赖性阵列共振与入射偏振及天线取向关联性弱，使得无需显微镜即可实现天线阵列增强红外检测。此外，得益于硅的高折射率（3.4），分析物吸附诱导折射率变化引起的天线共振漂移被最小化。作为验证，我们动态监测了痕量蛋白质在天线阵列表面的吸附过程，实测信号增强因子超三百倍。该平台为在商用红外仪器中实现水环境下的天线阵列增强红外光谱应用开辟了新途径，对需要信号增强的界面研究极具前景。

当前对生物毒素监测简便解决方案的研究需求日益迫切，该问题在食品安全与反恐领域均具有重大关切。现有技术如免疫层析测试（ICT）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和质谱分析法，仍难以满足快速、无标记且超灵敏检测的需求。为此，本研究采用基于原子力显微镜的单分子无标记检测方法，通过光诱导力光谱解决了上述问题——以三种重要生物毒素（即蓖麻毒素ABR、相思子毒素RT和产气荚膜梭菌外毒素ETX）进行单分子检测验证。成功获得了分子量低至30 kDa的单个蛋白质颗粒的光诱导力光谱，并通过对每种蛋白质进行主成分分析（PCA），构建了标准化PCA鉴定数据库。基于该数据库，混合毒素蛋白中的各组分得以准确区分。该策略表明光诱导力显微镜（PiFM）不仅是单蛋白检测的强大工具，更在蛋白质结构分析领域具有应用潜力。

理解沥青结合料（即沥青）的化学性质如何影响其整体性能，对于开发结构相关的力学模型及基于性能的沥青结合料技术规范至关重要。然而，由于结合料复杂的化学组成及各化学组分间有趣的分子相互作用，建立控制沥青结合料性能的化学-力学关系仍具挑战。本研究探究化学组成对结合料微观结构、热学及流变行为的影响：选取两种不同原油来源的原始结合料（ABD与AAD），通过按不同重量比复配两者提取的沥青质与软沥青质制备系列衍生结合料。分别采用调制差示扫描量热法与动态剪切流变仪测量所有结合料的热学与流变性能，并通过原子力显微镜评估其微观特征（如微观结构及相图像对比度）。结果表明：沥青的特征微观结构（源于各化学组分间复杂的分子相互作用）与其整体热学及力学性能具有相关性。值得注意的是，仅凭沥青质/软沥青质比例无法预测沥青整体性能，而沥青的独特微观结构结合其胶体指数，可为化学组成对玻璃化转变、相稳定性及流变性能的影响提供重要见解。

纳米尺度原位实时无标记表面增强红外吸收光谱（SEIRA）技术首次揭示了纳米粒子表面性质的动态变化如何影响纳米-细胞相互作用。

本研究聚焦于1,2,5-噻二唑类化合物（尤以1,1-二氧化衍生物为主），系统研究了其结构特性、电化学行为、光谱特征、溶液化学性质等，属于噻二唑有机物理化学研究领域。尽管该类化合物在药理应用和精细化学中间体领域备受关注，但针对其物理化学性质的文献研究极为匮乏。事实上，据我们所知，本研究团队开展的系列工作（包括本博士论文及相关已发表成果）构成了目前对结构关联的1,2,5-噻二唑1,1-二氧化物唯一的系统物理化学研究。已发表工作涵盖动力学研究（如水解与溶剂解反应的对比动力学、电还原反应机制）、分子结构（通过X射线晶体学研究获得）及电子结构（通过从头计算和半经验计算获得）。 前期对底物3,4-二苯基-1,2,5-噻二唑1,1-二氧化物（TPP）的研究表明，其在乙醇（EtOH）和水等质子性溶剂中可形成甲醇胺型加合物。该反应具有重要意义，因为甲醇胺通常被认为是碳氮双键缩合形成或水解反应中的不稳定中间体。对TPP在乙醇-乙腈（ACN）混合溶剂中行为的研究发现，该化合物与4-乙氧基-3,4-二苯基-1,2,5-噻二唑啉1,1-二氧化物（TPP.EtOH）存在平衡态，后者由乙醇加成至>C=N双键形成。 基于此，我们系统研究并比较了不同特性醇类（ROH）在乙腈溶液中对TPP化合物C=N双键的加成反应可能性，同时探究了非质子溶剂变化对乙醇与TPP加成平衡反应的影响。此外，还研究了噻二唑环取代基性质变化及杂环饱和程度改变对不同ROH-ACN混合溶液中平衡反应的影响。所用底物包括：3-苯基-4-甲基-1,2,5-噻二唑1,1-二氧化物（TMP）、3,4-二甲基-1,2,5-噻二唑1,1-二氧化物（TMM）、3,4-二苯基-1,2,5-噻二唑啉1,1-二氧化物（TH2）和3,4-二苯基-4-乙氧基-5-甲基-1,2,5-噻二唑啉1,1-二氧化物（TNMe）。 针对TMP化合物，其在乙腈溶液中的颜色变化等实验现象提示需进行更深入研究。由此我们系统考察了TMP在中性、酸性和碱性非水溶剂中的行为，通过循环伏安法分离并鉴定了两个新型1,2,5-噻二唑1,1-二氧化物衍生物：3-苯基-4-(4-苯基-3-亚甲基-1,2,5-噻二唑啉-2-基1,1-二氧化物)-4-甲基-1,2,5-噻二唑啉1,1-二氧化物（Tamar，TMP二聚体）和3-苯基-4-亚甲基-1,2,5-噻二唑啉1,1-二氧化物（TTau，TMP互变异构体）。 作为1-氧化物衍生物研究的序章，我们探究了3,4-二苯基-1,2,5-噻二唑1-氧化物（TSO）的电化学行为。为建立化合物反应性与结构间的关联，将实验结果与理论计算（分子结构通过X射线衍射和红外光谱表征）进行对比分析与阐释。

蛋白质分子组织成高阶纳米结构是自然界的普遍现象，也是合成生物学的重要目标。此外，酶活性的稳定化在生物技术与医学中具有广泛应用。本研究通过对称性导向设计，构建了分子量约2.1 MDa、尺寸类同小型二十面体病毒且具有极端稳定性和酶活性的中空蛋白质笼。该蛋白质笼基于二十面体对称性，通过基因融合三聚体蛋白（TriEst）与全新设计的五聚卷曲螺旋结构域，并以柔性寡聚甘氨酸连接序列分隔。通过对连接序列长度（2-12个残基）的设计库进行筛选，确定含8个甘氨酸残基的构建体（Ico8）可形成明确笼状结构。动态光散射、负染电镜、冷冻电镜、原子力显微镜及红外光诱导力显微镜表征表明，Ico8组装成柔性中空笼结构，包含20个酯酶三聚体（共60个蛋白亚基），整体呈现二十面体几何构型。值得注意的是，Ico8形成的蛋白质笼表现出极端的热与化学变性稳定性：TriEst在加热（Tm≈75°C）或1.5 M盐酸胍处理时会解折叠，而Ico8笼结构即使在120°C或8 M盐酸胍中仍保持折叠状态。这种稳定性提升是蛋白质笼高阶结构涌现的新特性，而非其组成元件固有属性。

双曲介质因其将光限制于任意小体积的能力及在超分辨技术中的潜在应用，备受光子学领域关注。此类介质的二维对应体可通过双曲超表面实现，其在纳米图案化后支持面内双曲导模，但该制备工艺存在显著挑战且限制限域能力。本研究证明范德瓦尔斯晶体α-MoO₃薄片无需图案化即可在中红外频率下天然支持面内双曲极化激元导模。该特性源于α-MoO₃作为双轴双曲晶体具有三个不同的剩余射线带（Reststrahlen bands），分别对应不同晶轴。此发现为平面光子器件中光操控与限域提供了新范式。

葡萄牙语摘要：本研究旨在提出恒星天体物理学主题的教学方案并简要分析其教学潜力。鉴于恒星形成与演化理论是天文学与现代物理学的融合，该主题能通过学校教育的恒星天体物理学概念（与学生当下学习内容相关联）理想地强化中等教育的物理基础（基础热力学、光的性质、牛顿引力等）。研究基于在圣保罗市公立学校五个二年级班级（共69名学生）开展的四节教学实践展开，课程内容涉及恒星形成与演化，同时涵盖星座和星系概念等天文学基础知识以引入主题。所有教学活动均采用富含图像和模拟的幻灯片演示。数据来源包括活动中实施的初始与终末问卷、课堂录像及其他记录，研究者即班级任课教师。分析了整体小组学习效果及部分学生在课程中的概念演进，发现学生物理知识存在缺漏。由此可见，恒星课程在一定程度上促进了学生学习，结果显示显著进步，尤其体现在光与引力等物理概念的整合理解上。