自然发表的化学论文

因为他从小就很聪明，很爱思考，再加上良好的家庭氛围和家庭条件，以及他自身对学习的兴趣和以及对学习的钻研，自然就厉害了

一、化学的来由 化学的英文词为Chemistry，法文Chimie，德文Chemie，它们都是从一个古字、即拉丁字chemia，希腊字Xηwa(Chamia)，希伯莱字Chaman或Haman，阿拉伯字Chema或Kema，埃及字Chemi演化而来的．它的最早来源难以查考．从现存资料看，最早是在埃及第四世纪的记载里出现的．所以有人认为可以假定是从埃及古字Chemi来的，不过这个名字的意义很晦涩，有埃及、埃及的艺术、宗教的迷惑、隐藏、秘密或黑暗等意义。其所以有这些意义，大概因为埃及在西方是化学记载诞生的地方，也是古代化学极为发达的地方，尤其是在实用化学方面。例如，埃及在十一朝代进已有一种雕刻表示一些工人下在制造玻璃，可见至少在公元前2500年以前，埃及已知道玻璃的制造方法了。再从埃及出土的木乃伊看，可知在公元前一、二千年时已精于使用防腐剂和布帛染色等技术。所以古人用埃及或埃及的艺术来命名“化学”。至于其它几种意义，可能因为古人认为化学是一种神奇和秘密的事业以及带有宗教色彩的缘故。 中国的化学史当然也是毫不逊色的。大约5000－11000年前，我们已会制作陶器，3000多年前的商朝已有高度精美的青铜器，造纸、磁器、火药更是化学史上的伟大发明。在十六、十七世纪时，中国算得上是世界最先进的国家。“化学”二字我国在1856年开始使用。最早出现在英国传教士韦廉臣在1856年出版的《格物探原》一书中。 二、化学的几个发展阶段 远古的工艺化学时期。这时人类的制陶、冶金、酿酒、染色等工艺，主要是在实践经验的直接启发下经过多少万年摸索而来的，化学知识还没有形成。这是化学的萌芽时期。 炼丹术和医药化学时期。从公元前1500年到公元1650年，炼丹术士和炼金术士们，在皇宫、在教堂、在自己的家里、在深山老林的烟熏火燎中，为求得长生不老的仙丹，为求得荣华富贵的黄金，开始了最早的化学实验。记载、总结炼丹术的书籍，在中国、阿拉伯、埃及、希腊都有不少。这一时期积累了许多物质间的化学变化，为化学的进一步发展准备了丰富的素材。这是化学史上令我们惊叹的雄浑的一幕。后来，炼丹术、炼金术几经盛衰，使人们更多地看到了它荒唐的一面。化学方法转而在医药和冶金方面得到了正当发挥。在欧洲文艺复兴时期，出版了一些有关化学的书籍，第一次有了“化学”这个名词。。 燃素化学时期。从1650年到1775年，随着冶金工业和实验室经验的积累，人们总结感性知识，认为可燃物能够燃烧是因为它含有燃素，燃烧的过程是可燃物中燃素放出的过程，可燃物放出燃素后成为灰烬。 定量化学时期，既近代化学时期。1775年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，开创了定量化学时期。这一时期建立了不少化学基本定律，提出了原子学说，发现了元素周期律，发展了有机结构理论。所有这一切都为现代化学的发展奠定了坚实的基础。 科学相互渗透时期，既现代化学时期。二十世纪初，量子论的发展使化学和物理学有了共同的语言，解决了化学上许多悬而未决的问题；另一方面，化学又向生物学和地质学等学科渗透，使蛋白质、酶的结构问题得到逐步的解决。 这里主要讲述近二百多年来的化学史故事。这是化学得到快速发展的时期，是风云变幻英雄辈出的期。让我们一道去体验当年化学家所经历的艰难险阻,在近代化学史峰回路转的曲折历程中不倦跋涉，领略他们拨开重重迷雾建立新理论、发现新元素、提出新方法时的无限风光。 三、化学学科在探索中成长 化学的发展可以说是日新月异，尤其是它的边缘学科或者说是它的分支学科，譬如生物化学、物理化学、晶体化学等等，令人目不暇接。就眼下炒得过热的基因工程、克隆技术以及共轭电场论等，更是令人眼花缭乱。而古往今来，有多少化学家为化学的发展做出了难以估量的贡献。你想了解他们吗？化学名人风采将带您走近他们。 燃素说的影响 。可燃物如炭和硫磺，燃烧以后只剩下很少的一点灰烬；致密的金属煅烧后得到的锻灰较多，但很疏松。这一切给人的印象是，随着火焰的升腾，什么东西被带走了。当冶金工业得到长足发展后，人们希望总结燃烧现象本质的愿望更加强烈了。 1723年，德国哈雷大学的医学与药理学教授施塔尔出版了教科书《化学基础》。他继承并发展了他的老师贝歇尔有关燃烧现象的解释，形成了贯穿整个化学的完整、系统的理论。《化学基础》是燃素说的代表作。 施塔尔认为燃素存在于一切可燃物中，在燃烧过程中释放出来，同时发光发热。燃烧是分解过程： 可燃物==灰烬+燃素 金属==锻灰+燃素 如果将金属锻灰和木炭混合加热，锻灰就吸收木炭中的燃素，重新变为金属，同时木炭失去燃素变为灰烬。木炭、油脂、蜡都是富含燃素的物质，燃烧起来非常猛烈，而且燃烧后只剩下很少的灰烬；石头、草木灰、黄金不能燃烧，是因为它们不含燃素。酒精是燃素与水的结合物，酒精燃烧时失去燃素，便只剩下了水。 空气是带走燃素的必需媒介物。燃素和空气结合，充塞于天地之间。植物从空气中吸收燃素，动物又从植物中获得燃素。所以动植物易燃。 富含燃素的硫磺和白磷燃烧时，燃素逸去，变成了硫酸和磷酸。硫酸与富含燃素的松节油共煮，磷酸（当时指P2O5）与木炭密闭加热，便会重新夺得燃素生成硫磺和白磷。而金属和酸反应时，金属失去燃素生成氢气，氢气极富燃素。铁、锌等金属溶于胆矾（CuSO4·5H2O）溶液置换出铜，是燃素转移到铜中的结果。 燃素说尽管错误，但它把大量的化学事实统一在一个概念之下，解释了冶金过程中的化学反应。燃素说流行的一百多年间，化学家为了解释各种现象，做了大量的实验，积累了丰富的感性材料。特别是燃素说认为化学反应是一种物质转移到另一种物质的过程，化学反应中物质守恒，这些观点奠定了近、现代化学思维的基础。我们现在学习的置换反应，是物质间相互交换成分的过程；氧化还原反应是电子得失的过程；而有机化学中的取代反应是有机物某一结构位置的原子或原子团被其它原子或原子团替换的过程。这些思想方法与燃素说多么相似。 舍勒和普里斯特里发现氧气的制法 ：令后人尊敬的瑞典化学家舍勒的职业是药剂师--chemist，他长期在小镇彻平的药房工作，生活贫困。白天，他在药房为病人配制各种药剂。一有时间，他就钻进他的实验室忙碌起来。有一次，后院传来一声爆鸣，店主和顾客还在惊诧之中，舍勒满脸是灰地跑来，兴奋地拉着店主去看他新合成的化合物，忘记了一切。对这样的店员，店主是又爱又气，但从来不想辞退他，因为舍勒是这个城市最好的药剂师。 到了晚上，舍勒可以自由支配时间，他更加专心致志地投入到他的实验研究中。对于当时能见到的化学书籍里的实验，他都重做一遍。他所做的大量艰苦的实验，使他合成了许多新化合物，例如氧气、氯气、焦酒石酸、锰酸盐、高锰酸盐、尿酸、硫化氢、升汞（氯化汞）、钼酸、乳酸、乙醚等等，他研究了不少物质的性质和成分，发现了白钨矿等。至今还在使用的绿色颜料舍勒绿（Scheele’s green）,就是舍勒发明的亚砷酸氢铜（CuHAsO3）。如此之多的研究成果在十八世纪是绝无仅有的，但舍勒只发表了其中的一小部分。直到1942年舍勒诞生二百周年的时候，他的全部实验记录、日记和书信才经过整理正式出版，共有八卷之多。其中舍勒与当时不少化学家的通信引人注目。通信中有十分宝贵的想法和实验过程，起到了互相交流和启发的作用。法国化学家拉瓦锡对舍勒十分推崇，使得舍勒在法国的声誉比在瑞典国内还高。 在舍勒与大学教师甘恩的通信中，人们发现，由于舍勒发现了骨灰里有磷，启发甘恩后来证明了骨头里面含有磷。在这之前，人们只知道尿里有磷。 1775年2月4日，33岁的舍勒当选为瑞典科学院院士。这时店主人已经去世，舍勒继承了药店，在他简陋的实验室里继续科学实验。由于经常彻夜工作，加上寒冷和有害气体的侵蚀，舍勒得了哮喘病。他依然不顾危险经常品尝各种物质的味道--他要掌握物质各方面的性质。他品尝氢氰酸的时候，还不知道氢氰酸有剧毒。1786年5月21日，为化学的进步辛劳了一生的舍勒不幸去世，终年只有44岁。舍勒发现氧气的两种制法是在1773年。第一种方法是分别将KNO3、Mg（NO3）2、Ag2CO3、HgCO3、HgO加热分解放出氧气： 2KNO3==2KNO2+O2↑ 2Mg（NO3）2 == 2MgO+4NO2↑+O2↑↑ 2Ag2CO3==4Ag+2CO2↑+O2↑ 2HgCO3==2Hg+2CO2↑+O2↑ 2HgO==2Hg+O2↑ 第二种方法是将软锰矿（MnO2）与浓硫酸共热产生氧气： 2MnO2+2H2SO4（浓）== 2MnSO4+2H2O+O2↑ 舍勒研究了氧气的性质，他发现可燃物在这种气体中燃烧更为剧烈，燃烧后这种气体便消失了，因而他把氧气叫做“火气”。舍勒是燃素说的信奉者，他认为燃烧是空气中的“火气”与可燃物中的燃素结合的过程，火焰是“火气”与燃素相结合形成的化合物。他将他的发现和观点写成《论空气和火的化学》。这篇论文拖延了4年直到1777年才发表。而英国化学家普里斯特里在1774年发现氧气后，很快就发表了论文。 普里斯特里始终坚信燃素说，甚至在拉瓦锡用他们发现的氧气做实验，推翻了燃素说之后依然故我。他将氧气叫做“脱燃素气”。他写到：我把老鼠放在‘脱燃素气’里，发现它们过得非常舒服后，我自己受了好奇心的驱使，又亲自加以实验，我想读者是不会觉得惊异的。我自己实验时，是用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取的。当时我的肺部所得的感觉，和平时吸入普通空气一样；但自从吸过这种气体以后，经过好长时间，身心一直觉得十分轻快舒畅。有谁能说这种气体将来不会变成通用品呢？不过现在只有两只老鼠和我，才有享受呼吸这种气体的权利罢了。”普里斯特里一生的大部分时间是在英国的利兹作牧师，业余爱好化学。1773年他结识了著名的美国科学家兼政治家富兰克林，他们后来成了经常书信往来的好朋友。普里斯特里受到好朋友多方的启发和鼓励。他在化学、电学、自然哲学、神学四个方面都有很多著述。 1774年普里斯特里到欧洲大陆参观旅行。在巴黎，他与拉瓦锡交换了好多化学方面的看法。正直的普里斯特里同情法国大革命，曾在英国公开做了几次演讲。英国一批反对法国大革命的人烧毁了他的住宅和实验室。普里斯特里于1794年他六十一岁的时候不得已移居美国，在宾夕法尼亚大学任化学教授。美国化学会认为他是美国最早研究化学的学者之一。他住过的房子现在已建成纪念馆，以他的名字命名的普里斯特里奖章已成为美国化学界的最高荣誉。 拉瓦锡和他的天平： 燃素说的推翻者，法国化学家拉瓦锡原来是学法律的。1763年，他20岁的时候就取得了法律学士学位，并且获得律师开业证书。他的父亲是一位律师，家里很富有。所以拉瓦锡不急于当律师，而是对植物学发生了兴趣。经常上山采集标本使他对气象学也产生了兴趣。后来，拉瓦锡在他的老师，地质学家葛太德的建议下，师从巴黎有名的鲁伊勒教授学习化学。拉瓦锡的第一篇化学论文是关于石膏成分的研究。他用硫酸和石灰合成了石膏。当他加热石膏时放出了水蒸气。拉瓦锡用天平仔细测定了不同温度下石膏失去水蒸气的质量。从此，他的老师鲁伊勒就开始使用“结晶水”这个名词了。这次成功使拉瓦锡开始经常使用天平，并总结出了质量守恒定律。质量守恒定律成为他的信念，成为他进行定量实验、思维和计算的基础。例如他曾经应用这一思想，把糖转变为酒精的发酵过程表示为下面的等式： 葡萄糖 == 碳酸（CO2）+ 酒精 这正是现代化学方程式的雏形。用等号而不用箭头表示变化过程，表明了他守恒的思想。拉瓦锡为了进一步阐明这种表达方式的深刻含义，又具体地写到：“我可以设想，把参加发酵的物质和发酵后的生成物列成一个代数式。再逐个假定方程式中的某一项是未知数，然后分别通过实验，逐个算出它们的值。这样以来，就可以用计算来检验我们的实验，再用实验来验证我们的计算。我经常卓有成效地用这种方法修正实验的初步结果，使我能通过正确的途径重新进行实验，直到获得成功。”早在拉瓦锡出生之时，多才多艺的俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律，他当时称之为“物质不灭定律”，其中含有更多的哲学意蕴。但由于“物质不灭定律”缺乏丰富的实验根据，特别是当时俄罗斯的科学还很落后，西欧对沙俄的科学成果不重视，“物质不灭定律”没有得到广泛的传播。 1772年秋天，拉瓦锡照习惯称量了一定质量的白磷使之燃烧，冷却后又称量了燃烧产物P2O5的质量，发现质量增加了！他又燃烧硫磺，同样发现燃烧产物的质量大于硫磺的质量。他想这一定是什么气体被白磷和硫磺吸收了。他于是又做了更细致的实验：将白磷放在水银面上，扣上一个钟罩，钟罩里留有一部分空气。加热水银到40℃时白磷就迅速燃烧，之后水银面上升。拉瓦锡描述道：“这表明部分空气被消耗，剩下的空气不能使白磷燃烧，并可使燃烧着的蜡烛熄灭；1盎司的白磷大约可得到2.7盎司的白色粉末（P2O5，应该是2.3盎司）。增加的重量和所消耗的1/5容积的空气重量接近相同。”燃素说认为燃烧是分解过程，燃烧产物应该比可燃物质量轻。而拉瓦锡实验的结果却是截然相反。他把实验结果写成论文交给法国科学院。从此他做了很多实验来证明燃素说的错误。在1773年2月，他在实验记录本上写到：“我所做的实验使物理和化学发生了根本的变化。”他将“新化学”命名为“反燃素化学”。 1774年，拉瓦锡做了焙烧锡和铅的实验。他将称量后的金属分别放入大小不等的曲颈瓶中，密封后再称量金属和瓶的质量，然后充分加热。冷却后再次称量金属和瓶的质量，发现没有变化。打开瓶口，有空气进入，这一次质量增加了，显然增加量是进入的空气的质量（设为A）。他再次打开瓶口取出金属锻灰（在容积小的瓶中还有剩余的金属）称量，发现增加的质量正和进入瓶中的空气的质量相同（即也为A）。这表明锻灰是金属与空气的化合物。 拉瓦锡进一步想，如果设法从金属锻灰中直接分离出空气来，就更能说明问题。他曾经试图分解铁锻灰（即铁锈），但实验没有成功。 拉瓦锡制得氧气之后： 到了这年的10月，普里斯特里访问巴黎。在欢迎宴会上他谈到“从红色沉淀（HgO）和铅丹（Pb3O4）可得到‘脱燃素气’”。对于正在无奈中的拉瓦锡来说，这条信息是很直接的启发。11月，拉瓦锡加热红色的汞灰制得了氧气。在舍勒的启发下，拉瓦锡甚至制造了火车头大小的加热装置，其中心是聚光镜。平台下面是六个大轮子，以便跟着太阳随时转动。1775年，拉瓦锡的实验中心已从分解金属锻灰转移到了对氧气的研究。他发现燃烧时增加的质量恰好是氧气减少的质量。以前认为可燃物燃烧时吸收了一部分空气，其实是吸收了氧气，与氧气化合，即氧化。这就是推翻了燃素说的燃烧的氧化理论。与此同时，拉瓦锡还用动物实验，研究了呼吸作用，认为“是氧气在动物体内与碳化合，生成二氧化碳的同时放出热来。这和在实验室中燃烧有机物的情况完全一样。”这就解答了体温的来源问题。空气中既然含有1/4的氧气(数据来自原文），就应该含有其余的气体，拉瓦锡将它称为“碳气”。研究了空气的组成后，拉瓦锡总结道：“大气中不是全部空气都是可以呼吸的；金属焙烧时，与金属化合的那部分空气是合乎卫生的，最适宜呼吸的；剩下的部分是一种‘碳气’，不能维持动物的呼吸，也不能助燃。”他把燃烧与呼吸统一了起来，也结束了空气是一种纯净物质的错误见解。1777年，拉瓦锡明确地讥讽和批判了燃素说：“化学家从燃素说只能得出模糊的要素，它十分不确定，因此可以用来任意地解释各种事物。有时这一要素是有重量的，有时又没有重量；有时它是自由之火，有时又说它与土素相化合成火；有时说它能通过容器壁的微孔，有时又说它不能透过；它能同时用来解释碱性和非碱性、透明性和非透明性、有颜色和无色。它真是只变色虫，每时每刻都在改变它的面貌。” 这年的9月5日，拉瓦锡向法国科学院提交了划时代的《燃烧概论》，系统地阐述了燃烧的氧化学说，将燃素说倒立的化学正立过来。这本书后来被翻译成多国语言，逐渐扫清了燃素说的影响。化学自此切断了与古代炼丹术的联系，揭掉了神秘和臆测的面纱，代之以科学的实验和定量的研究。化学进入了定量化学（即近代化学）时期。所以我们说拉瓦锡是近代化学的奠基者。舍勒和普里斯特里先于拉瓦锡发现氧气，但由于他们思维不够广阔，更多地只是关心具体物质的性质，没有能冲破燃素说的束缚。与真理擦肩而过是很遗憾的。 拉瓦锡对化学的另一大贡献是否定了古希腊哲学家的四元素说和三要素说，辨证地阐述了建立在科学实验基础上的化学元素的概念：“如果元素表示构成物质的最简单组分，那么目前我们可能难以判断什么是元素；如果相反，我们把元素与目前化学分析最后达到的极限概念联系起来，那么，我们现在用任何方法都不能再加以分解的一切物质，对我们来说，就算是元素了。”在1789年出版的历时四年写就的《化学概要》里，拉瓦锡列出了第一张元素一览表，元素被分为四大类： 简单物质，普遍存在于动物、植物、矿物界，可以看作是物质元素：光、热、氧、氮、氢。简单的非金属物质，其氧化物为酸：硫、磷、碳、盐酸素、氟酸素、硼酸素。简单的金属物质，被氧化后生成可以中和酸的盐基：锑、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌。简单物质，能成盐的土质：石灰、镁土、钡土、铝土、硅土。拉瓦锡对燃素说和其它陈腐观点的讥讽和批判是无情和激烈的。这使他在创建科学勋绩的同时得罪了一大批同时代和老一辈的科学家。在《影响世界历史的一百位人物》中，在许多有关历史、科学史、化学史的书籍中，作者都对拉瓦锡总是突出自己的人格特点进行低调的描述和评价，指责他在《化学概要》里没有提起舍勒和普里斯特里对他的启示和帮助。但我们得看到，拉瓦锡确实具有非凡的科学洞察力和勇往直前的无畏精神。虽然不是他最先发现氧气的制法，但他通过制取氧气分析了空气的组成，建立了燃烧的氧化学说。氧气因此不同于其它气体，被赋予非凡的科学意义。拉瓦锡十分勤奋，每天六点起床，从六点到八点进行实验研究，八点到下午七点从事火药局长或法国科学院院士的工作，七点到晚上十点，又专心从事他的科学研究。星期天不休息，专门进行一整天的实验工作。拉瓦锡28岁结婚时，他的妻子只有14岁。他们一生没有孩子，但生活非常愉快。她帮助拉瓦锡实验，经常陪伴在他身边。在拉瓦锡的著作里，有很多插图都是他的妻子画的。1789年法国大革命爆发，三年后拉瓦锡被解除了火药局长的职务。1793年11月，国民议会下令逮捕旧王朝的包税官。拉瓦锡由于曾经担任过包税官而自首入狱。极左派马拉曾与拉瓦锡有过激烈的科学争论，心存嫉恨，便诬陷拉瓦锡与法国的敌人有来往，犯有叛国罪，于1794年5月8日把他送上了断头台。对此，当时科学界的很多人感到非常惋惜。著名的法籍意大利数学家拉格朗日痛心地说：“他们可以一瞬间把他的头割下，而他那样的头脑一百年也许长不出一个来。”这时，拉瓦锡正当壮年，是51岁。 四、化学学科的发展前沿 中国运动医学杂志000124 基因工程也叫遗传工程(Genetic Engineering)，是20世纪70年代在分子生物学发展的基础上形成的新学科。基因工程就是在分子水平上，用人工方法提取(或合成)不同生物的遗传物质，在体外切割、拼接和重新组成，然后通过载体把重组的DNA分子引入受体细胞，使外源DNA在受体细胞中进行复制与表达。按人们的需要产生不同的产物或定向地创造生物的新性状，并使之稳定地遗传给下代[1]。基因工程技术主要包括分离基因、纯化基因和扩增基因的技术，其核心是分子克隆技术。它能帮助人们从各种复杂的生物体中分离出单一的基因，并把它纯化，再把它大量扩增，用于研究。 20多年来，基因工程技术得到了迅速地发展，特别是限制性内切酶、DNA序列分析及DNA重组技术等三大技术的发现和应用，不仅把分子生物学提高到了基因水平，而且也把生物学与医学中的其他学科引上基因研究的道路，并取得了许多揭示生命秘密和生命过程的重大成就 ......

1、美国的《科学》即《Science》全年共51期，为周刊，全球发行量超过150万份。在2014年的影响因子为31.477。电灯的发明人、 世界最著名的科学家之一 ：托马斯·爱迪生创办了Science 周刊。

2、英国的《自然》即《Nature》是世界上最权威的科学杂志之一。杂志以报道科学世界中的重大发现、重要突破为使命，要求科研成果新颖，为周刊刊物。

3、德国的《德国应用化学》即《ANGEW》收录的文章以简讯类为主，简讯主要分布在有机化学、生命有机化学、材料学、高分子化学等领域，无机化学、物理化学涉及相对较少。收录的论文要求原创性、结果的重要性、惊奇性、内容的通俗性以及科学的正确性。

扩展资料

相关的还有美国化学会杂志《JACS》2015年，JACS的影响因子已达到12.113。创刊的宗旨是想通过发表全世界化学领域最好的论文，来追踪化学领域的最新前沿,其中包括对一些重要问题的应用性方法论，新的合成方法，新奇的理论发展和有关重要结构和反应的新进展。为周刊。

美国《Tetrahedron》，四面体通讯。发表的是具有重要性和及时性的实验及理论研究结果，主要是在有机化学及其相关应用领域特别是生物有机化学。期刊包含领域为有机合成，有机反应，天然产物化学，机理研究及各种光谱研究。

编译 | 未玖

Nature, 10 February 2022, VOL 602, ISSUE 7896

《自然》 2022年2月10日，第602卷，7896期

天文学 Astronomy

A white dwarf accreting planetary material determined from X-ray observations

X射线观测到白矮星吸积行星物质

作者：Tim Cunningham, Peter J. Wheatley, Pier-Emmanuel Tremblay, Boris T. Gänsicke, George W. King, Odette Toloza, et al.

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摘要

大多数白矮星的大气受到重元素的污染，这些重元素预计会在短时间内从可见层下沉。这被解释为白矮星不断吸积小行星、彗星和巨行星碎片的标志。探测一些白矮星周围的碎片盘和行星碎片凌星现象支持了这一设想。

然而，光球金属只是持续吸积的间接证据，推断的吸积率和母体成分在很大程度上取决于白矮星大气中扩散和混合过程的模型。

研究组报道了被污染白矮星G29–38的X射线4.4σ探测。根据测得的X射线光度，他们推导出瞬时吸积率MX=1.63 109 g s 1，且独立于恒星大气模型。该比率高于过去对G29–38光球丰度研究所作的估计，表明可能需要对流过冲来模拟白矮星碎片聚集的光谱。

研究组测量出kBT= 0.5   0.2 keV的低等离子体温度，证实了此前预测的白矮星以低吸积率吸积的爆炸方式。

Abstract

The atmospheres of a large proportion of white dwarf stars are polluted by heavy elements that are expected to sink out of visible layers on short timescales. This has been interpreted as a signature of ongoing accretion of debris from asteroids, comets and giant planets. This scenario is supported by the detection of debris discs and transits of planetary fragments around some white dwarfs. However, photospheric metals are only indirect evidence for ongoing accretion, and the inferred accretion rates and parent body compositions heavily depend on models of diffusion and mixing processes within the white dwarf atmosphere. Here we report a 4.4σ detection of X-rays from a polluted white dwarf, G29–38. From the measured X-ray luminosity, we derive an instantaneous accretion rate of MX=1.63 109 g s 1, which is independent of stellar atmosphere models. This rate is higher than estimates from past studies of the photospheric abundances of G29–38, suggesting that convective overshoot may be needed to model the spectra of debris-accreting white dwarfs. We measure a low plasma temperature of kBT = 0.5   0.2 keV, corroborating the predicted bombardment solution for white dwarfs accreting at low accretion rates.

物理学 Physics

Real-space visualization of intrinsic magnetic fields of an antiferromagnet

反铁磁体内禀磁场的实空间可视化

作者：Yuji Kohno, Takehito Seki, Scott D. Findlay, Yuichi Ikuhara & Naoya Shibata

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摘要

原子尺度的磁性结构表征，是材料和器件中纳米磁性设计与调控的核心。然而，在该维度上，磁场的实空间可视化一直颇具挑战性。近年来，原子分辨率差分相衬扫描透射电子显微镜（DPC STEM）已能够直接成像单个原子内部的电场分布。

研究组展示了在无磁场环境中使用原子分辨率DPC STEM实现反铁磁赤铁矿（α-Fe2O3）内部磁场分布的实空间可视化。

在去除原子电场引起的相移分量并通过单元平均法提高信噪比后，研究组实现了α-Fe2O3内禀磁场的实空间可视化。这些研究结果为许多磁性结构的实空间表征提供了新途径。

Abstract

Characterizing magnetic structures down to atomic dimensions is central to the design and control of nanoscale magnetism in materials and devices. However, real-space visualization of magnetic fields at such dimensions has been extremely challenging. In recent years, atomic-resolution differential phase contrast scanning transmission electron microscopy (DPC STEM) has enabled direct imaging of electric field distribution even inside single atoms. Here we show real-space visualization of magnetic field distribution inside antiferromagnetic haematite (α-Fe2O3) using atomic-resolution DPC STEM in a magnetic-field-free environment. After removing the phase-shift component due to atomic electric fields and improving the signal-to-noise ratio by unit-cell averaging, real-space visualization of the intrinsic magnetic fields in α-Fe2O3 is realized. These results open a new possibility for real-space characterization of many magnetic structures.

Ferroelectric incommensurate spin crystals

铁电不相称自旋晶体

作者：Dorin Rusu, Jonathan J. P. Peters, Thomas P. A. Hase, James A. Gott, Gareth A. A. Nisbet, Jörg Strempfer, et al.

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摘要

铁性材料，尤其是铁磁体，在特定的电和力学边界条件下，可形成复杂的拓扑自旋结构，如漩涡和斯格明子。

在专用铁电系统中，尤其是在PbTiO3/SrTiO3等铁电-绝缘体超晶格中，人们已观察到简单的涡状电偶极子拓扑结构，但后来由于其高去极化场，被证明是一个模型系统。迄今为止，还没有实验观察到由Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMi）驱动的有序磁自旋晶格的等效电偶极。

研究组探讨了夹在SrRuO3电极间的单一PbTiO3外延层的畴结构。他们观察到周期性的顺时针和逆时针铁电旋涡，沿其环形核心受到二阶调制。计算结果支持的拓扑结构是具有两个正交周期调制的迷宫状图案，形成了一个不相称的极性晶体，其铁电性类似于最近在铁磁材料中发现的不相称自旋晶体。

这些发现进一步模糊了突现铁磁和铁电拓扑之间的边界，为未来磁DMi驱动相的电对应物的实验实现扫清了道路。

Abstract

Ferroics, especially ferromagnets, can form complex topological spin structures such as vortices and skyrmions when subjected to particular electrical and mechanical boundary conditions. Simple vortex-like, electric-dipole-based topological structures have been observed in dedicated ferroelectric systems, especially ferroelectric–insulator superlattices such as PbTiO3/SrTiO3, which was later shown to be a model system owing to its high depolarizing field. To date, the electric dipole equivalent of ordered magnetic spin lattices driven by the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMi) has not been experimentally observed. Here we examine a domain structure in a single PbTiO3 epitaxial layer sandwiched between SrRuO3 electrodes. We observe periodic clockwise and anticlockwise ferroelectric vortices that are modulated by a second ordering along their toroidal core. The resulting topology, supported by calculations, is a labyrinth-like pattern with two orthogonal periodic modulations that form an incommensurate polar crystal that provides a ferroelectric analogue to the recently discovered incommensurate spin crystals in ferromagnetic materials. These findings further blur the border between emergent ferromagnetic and ferroelectric topologies, clearing the way for experimental realization of further electric counterparts of magnetic DMi-driven phases.

材料科学 Materials Science

A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy

一种高度变形超弹性化学复杂的艾林瓦合金

作者：Q. F. He, J. G. Wang, H. A. Chen, Z. Y. Ding, Z. Q. Zhou, L. H. Xiong, et al.

链接：

摘要

高性能超弹性金属的研发具有超高强度、大弹性应变极限和温度不敏感的弹性模量（艾林瓦效应），对于从致动器、医疗设备到高精度仪器的各种工业应用都至关重要。由于位错易滑动，体晶金属的弹性应变极限通常小于1%。

形状记忆合金（包括胶质金属和应变玻璃合金）的弹性应变极限可高达几个百分点，虽然这是伪弹性的结果，且伴随着巨大的能量耗散。近年来，化学性质复杂的合金，如“高熵”合金，因其良好性能引发了人们广泛的研究兴趣。

在这项工作中，研究组报道了一种化学复杂的合金，其原子尺寸错配较大，常规合金通常无法承受。该合金在室温下具有较高的弹性应变极限（约2%）和极低的内耗（小于2    10 4 ）。

更有趣的是，这种合金表现出非凡的艾林瓦效应，在室温和627 （900K）之间的弹性模量近乎恒定，迄今为止报道的现有合金均无法与之比拟。

Abstract

The development of high-performance ultraelastic metals with superb strength, a large elastic strain limit and temperature-insensitive elastic modulus (Elinvar effect) are important for various industrial applications, from actuators and medical devices to high-precision instruments. The elastic strain limit of bulk crystalline metals is usually less than 1 per cent, owing to dislocation easy gliding. Shape memory alloys—including gum metals and strain glass alloys—may attain an elastic strain limit up to several per cent, although this is the result of pseudo-elasticity and is accompanied by large energy dissipation. Recently, chemically complex alloys, such as ‘high-entropy’ alloys, have attracted tremendous research interest owing to their promising properties. In this work we report on a chemically complex alloy with a large atomic size misfit usually unaffordable in conventional alloys. The alloy exhibits a high elastic strain limit (approximately 2 per cent) and a very low internal friction (less than 2    10 4 ) at room temperature. More interestingly, this alloy exhibits an extraordinary Elinvar effect, maintaining near-constant elastic modulus between room temperature and 627 degrees Celsius (900 kelvin), which is, to our knowledge, unmatched by the existing alloys hitherto reported.

人工智能 Artificial Intelligence

Outracing champion Gran Turismo drivers with deep reinforcement learning

通过深度强化学习超越Gran Turismo冠军级赛车手

作者：Peter R. Wurman, Samuel Barrett, Kenta Kawamoto, James MacGlashan, Kaushik Subramanian, Thomas J. Walsh, et al.

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摘要

人工智能的许多潜在应用涉及与人类交互时在物理系统中做出实时决策。赛车就是这种情况的一个典型代表；赛车手必须执行复杂的战术性操作以超越或阻挡对手，同时在牵引力极限下驾驶赛车。

赛车模拟，比如PlayStation 游戏 Gran Turismo，忠实地再现了真实赛车的非线性控制挑战，同时也封装了复杂的多代理交互。

研究组介绍了他们如何训练Gran Turismo的AI代理，使其能够与世界上最优秀的电子竞技赛车手相匹敌。他们将最先进的、无模型的深度强化学习算法与混合场景训练相结合，来学习一种综合控制策略，将卓越的速度与令人印象深刻的战术相结合。

此外，研究组还构建了一个奖励函数，使AI代理能够在遵守重要但灵活的赛车规则的同时保持竞争力。最终研究组的AI代理Gran Turismo Sophy崭露头角，在正面竞争中战胜了四名世界顶级Gran Turismo赛车手。

通过描述如何训练冠军级别的赛车手，研究组展示了使用这些技术来控制复杂动态系统的机遇和挑战，在这些领域中，AI代理必须尊重灵活定义的人类规则。

Abstract

Many potential applications of artificial intelligence involve making real-time decisions in physical systems while interacting with humans. Automobile racing represents an extreme example of these conditions; drivers must execute complex tactical manoeuvres to pass or block opponents while operating their vehicles at their traction limits. Racing simulations, such as the PlayStation game Gran Turismo, faithfully reproduce the non-linear control challenges of real race cars while also encapsulating the complex multi-agent interactions. Here we describe how we trained agents for Gran Turismo that can compete with the world’s best e-sports drivers. We combine state-of-the-art, model-free, deep reinforcement learning algorithms with mixed-scenario training to learn an integrated control policy that combines exceptional speed with impressive tactics. In addition, we construct a reward function that enables the agent to be competitive while adhering to racing’s important, but under-specified, sportsmanship rules. We demonstrate the capabilities of our agent, Gran Turismo Sophy, by winning a head-to-head competition against four of the world’s best Gran Turismo drivers. By describing how we trained championship-level racers, we demonstrate the possibilities and challenges of using these techniques to control complex dynamical systems in domains where agents must respect imprecisely defined human norms.

地球科学 Earth Science

Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core

超离子铁合金及其在地球内核中的地震速度

作者：Yu He, Shichuan Sun, Duck Young Kim, Bo Gyu Jang, Heping Li & Ho-kwang Mao

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摘要

地球内核（IC）的密度低于纯铁，这表明其内部存在轻元素。硅、硫、碳、氧和氢被认为是候选元素，人们研究了铁-轻元素合金的性能以约束IC成分。轻元素对铁合金的地震速度、熔化温度和热导率有很大影响。然而，人们很少考虑IC中轻元素的状态。

研究组利用第一性原理分子动力学模拟，发现在IC条件下，六方密排铁中的氢、氧和碳转变为超离子态，表现出像流体一样的高扩散系数。这表明IC可以处于超离子态，而非正常固态。

流体轻元素导致地震速度大幅降低，接近IC的地震学观测值。横波波速的大幅降低为软IC提供了一种解释。此外，轻元素对流对IC地震学结构和磁场也有潜在影响。

Abstract

Earth’s inner core (IC) is less dense than pure iron, indicating the existence of light elements within it. Silicon, sulfur, carbon, oxygen and hydrogen have been suggested to be the candidates, and the properties of iron–light-element alloys have been studied to constrain the IC composition. Light elements have a substantial influence on the seismic velocities, the melting temperatures and the thermal conductivities of iron alloys. However, the state of the light elements in the IC is rarely considered. Here, using ab initio molecular dynamics simulations, we find that hydrogen, oxygen and carbon in hexagonal close-packed iron transform to a superionic state under the IC conditions, showing high diffusion coefficients like a liquid. This suggests that the IC can be in a superionic state rather than a normal solid state. The liquid-like light elements lead to a substantial reduction in the seismic velocities, which approach the seismological observations of the IC. The substantial decrease in shear-wave velocity provides an explanation for the soft IC. In addition, the light-element convection has a potential influence on the IC seismological structure and magnetic field.