REVIEW: High pressure NMR study of proteins – seeking roots for function,evolution, disease and food applications

NMR experiments at variable pressure reveal a wide range of conformation of a globular protein spanning from within the folded ensemble to the fully unfolded ensemble, herewith collectively called “high-energy conformers”. The observation of “high-energy conformers” in a wide variety of globular proteins has led to the “volume theorem”: the partial molar volume of a protein decreases with the decrease in its conformational order. Since “high-energy conformers” are intrinsically more reactive than the basic folded conformer, they could play decisive roles in all phenomena of proteins, namely function, environmental adaptation and misfolding. Based on the information on high-energy conformers and the rules on their partial volume in its monomeric state and amyloidosis, one may have a general view on what is happening on proteins under pressure. Moreover, one may even choose a high-energy conformer of a protein with pressure as variable for a particular purpose. Bridging “high-energy conformers” to macroscopic pressure effects could be a key to success in pressure application to biology, medicine, food technology and industry in the near future.     

1 000 t Walker型高温高压装置的使用与压力标定

 介绍了一种6-8型二级加压装置——1 000 t Walker型大腔体高温高压装置中样品的组装方式、组装件材料和压力标定方法。采用碳化钨作为压砧时,获得的最高压力超过20 GPa。压力标定方法采用相变点法,即利用Bi、Tl、ZnTe、Pb、SnS、GaAs等标准压力标定物质,通过测量其在室温高压下的电阻变化,确定相变点,进而获得高压腔体内的压力与外加载荷的关系。对具有不同二级压砧截角边长（4、6、8、12 mm）组装的内部实际压力进行标定,得到了外加载荷与内部压力的关系曲线,为今后在该装置上的实验样品组装及样品实际压力确定提供了准确的数据。     

NMR of Colossal Magnetoresistive Manganites and Expanded Lattice Intermetallics at High Pressure

A survey is given of NMR studies of colossal magnetoresistive manganese perovskites (RE,Ca,Sr,Ba)MnO₃ (RE = rare earth) and the interstitially modified permanent magnet materials, RE₂Fe₁₇A _x (A = N,C,H) at ambient pressure and at applied pressures of up to 10 kbar. The different pressure behavior of the Mn hyperfine field found in the metallic and in the insulating manganite compounds is discussed and related to the micro- and macroscopic properties of these magnetically inhomogeneous materials. In the RE₂Fe₁₇A _x compounds a different pressure behavior of the hyperfine field at the RE sites with different number and type of interstitial atom neighbors is discussed in terms of local compressibility. The influence of the interstitial modification and the applied pressure on the RE hyperfine field and quadrupole splitting is analyzed and the impact of the chemical pressure and covalent effects on these quantities is compared. A comparison of the behavior of the magnetic state of the 4f electron shell with pressure and with interstitial modification is made and the relation to the magnetocrystalline anisotropy is discussed.     

3 GPa熔融盐固体介质三轴高温压力容器的轴压摩擦力标定

 在温度标定和围压标定的基础上,采用轴压循环方法,对3 GPa固体介质三轴高温高压实验系统的轴压摩擦力进行了标定,分析了围压、温度、轴向位移速率、装样方式（盐套类型）等实验条件对轴压摩擦力的影响。结果表明：静摩擦力、挤压摩擦力和滑动摩擦力3种轴压摩擦力对轴向应力的影响不同,其中静摩擦力和挤压摩擦力对轴向应力的影响很小,影响应力精度的主要是滑动摩擦力。静摩擦力及滑动摩擦力与围压正相关;静摩擦力与轴向位移速率正相关,但受其影响较小,滑动摩擦力不受其影响;静摩擦力和滑动摩擦力与温度负相关,并且受其影响较显著;盐套类型对轴压摩擦力的影响较大,当实验条件接近盐套熔点时,轴压摩擦力显著降低,当样品周围的盐套处于熔融状态时,轴压摩擦力最小。基于此,确定了标定轴压摩擦力的具体步骤,并对角闪岩的应力-应变曲线进行了轴压摩擦力标定。对比轴压摩擦力校正前、后的应力-应变曲线发现,经过轴压摩擦力校正的应力-应变曲线能更好地反映样品的实际变形情况。     

PbMoO4原位高压拉曼光谱和电导率的研究

 钼酸铅（PbMoO₄）具有高的声光品质因数、低的声损耗、良好的声阻抗匹配等性质，被广泛应用于声光偏转器、调制器、可调滤光器、声表面波器件等各类声光器件，其优异的低温闪烁性能亦引起人们的注意，具有在核设备方面的应用潜力。为探讨其晶体结构和物理性质，在金刚石对顶砧上原位测量了PbMoO₄的拉曼光谱，并测量了其在几个不同压力点下电导率随温度的变化。实验发现，压力在12.5 GPa时，拉曼峰完全消失，说明压力在10.8～12.5 GPa之间PbMoO₄样品出现了非晶态转变。当从26.5 GPa卸压到9.4 GPa时，PbMoO₄的拉曼谱在低波数出现无序化，而在2.4 GPa压力下858 cm^-1峰又重新出现，说明样品结构由无序向晶化回复。压力在10.8 GPa以上时，电导率随着温度的增加而显著增加，且随着压力的增加也明显增加。     

超高压碳化钨顶砧新结构的设计与研究

基于高压顶砧设计原理——大质量支撑原理,借助有限元仿真技术,开展了一体式超高压碳化钨顶砧新结构的设计与研究工作。研究结果表明,采用圆角技术以及凹形支撑区技术,设计出的新结构顶砧能够降低传统碳化钨顶砧拐角处的应力集中效应,同时为碳化钨顶砧提供足够的侧向支撑作用,从而大幅提高顶砧的性能;一体式超高压碳化钨顶砧的传压效率较传统顶砧升高58.5%、破裂几率较传统顶砧降低33%、获得的极限腔体压力较传统顶砧升高44.2%,达到9.56GPa。为大腔体、超高压环境下物质新结构与性质研究、新型功能材料的设计与合成研究提供了一种易于操作的可行性方案。     

高温高压下液态水声速的研究——不同状态方程的准确性验证

 研究水的热力学状态方程,对于理解地球及行星科学等起着重要作用,但由于高温高压区域的实验数据较少,该区域的状态方程主要依赖于由低压部分外延或分子动力学模拟计算得到。采用布里渊散射技术测量熔解曲线附近液态水的声速,低温区采用电加热系统,高温区采用激光加热布里渊散射系统,分析比较了由实验测量得到的声速值与用经验状态方程计算的结果之间的差别。结果表明,在温度不超过673 K、压力不超过6.0 GPa的范围内,Abramson方程的计算结果与实验测量结果在误差范围内一致,而Saul 和IAPWS-95的预言值比实验测量值偏高,并且温度越高偏差越大。在压力为21 GPa、温度为890~1 100 K时,实验测量出的水的声速比状态方程预言的结果偏高。     

高温高压流体在线毛细管黏度测量

提出了一种适用于高温高压条件下的在线毛细管黏度测量方法,设计并搭建了相应的实验系统。通过与高温高压循环系统连接,可实现压力（约30MPa）、温度（约773K）范围内的流体黏度在线测量。利用该实验系统,在线测量了压力分别为12、23、25、28MPa下,温度303．46－383．28K范围内纯水的动力黏度。较之NIST文...     

高温高压下蛇纹岩电导率的初步研究

 在压力为2.0和4.0 GPa、温度为373～933 K的条件下,利用交流阻抗谱仪,在0.1～10⁶ Hz的频率范围内测量了蛇纹岩的电导率。实验结果表明：蛇纹岩的复阻抗对频率有明显的依赖性,电导率受温度的影响较大,压力对电导率的影响相对较弱;当温度为690～761 K时,蛇纹岩发生脱水,致使电导率发生突变;脱水前,蛇纹岩的活化能约为0.6 eV,脱水后则高达2 eV。根据测得的电导率和活化能,分析了蛇纹岩脱水前、后的微观导电机制。分析认为,脱水前蛇纹岩的微观导电机制可能与内部二价铁和三价铁之间的电子移动有关,脱水后则可能是离子导电。     

高温高压下Fe-Ni-C系合成金刚石的研究

 以工业纯单质铁粉和单质镍粉为主要原料,采用粉末冶金方法制备了Fe-Ni-C系反应体系,在六面顶压机上进行了金刚石合成实验。Raman光谱和X射线衍射结果表明,采用这种方法获得的粒径为200~500 μm,呈六-八面体聚形的晶体为立方金刚石单晶。通过对常规力学性能的检测发现,金刚石的品位较高,超过SMD25级锯片级金刚石的要求。分析认为,高温高压下金刚石自Fe-Ni-C系形核是一个触媒不断溶解催化碳原子的过程。大量的实验结果可以证实,金刚石在Fe-Ni-C系长大所需的碳原子来自于在γ-(Fe,Ni)吸引作用下、从(Fe,Ni)₃C中不断脱溶的碳。金属包覆膜在这一过程中不但起到了输送碳原子的作用,还以独特的方式促成了碳原子由sp²π杂化态向sp³杂化态的转变。     

镁橄榄石和顽辉石的高温高压合成

 用国产六面顶压机,在温度为1 000～1 500 ℃和压力为2～5 GPa的高温高压条件下,对氧化镁（MgO）和二氧化硅（SiO₂）混合粉末样品进行了处理。通过对所得产物的观察与X射线衍射分析结果表明,在较宽的压力范围内,可以得到镁橄榄石（Mg₂SiO₄）单晶体和顽辉石（MgSiO₃）单晶体。讨论了地幔物质镁橄榄石（Mg₂SiO₄）和顽辉石（MgSiO₃）的生成条件、生长特性及相变关系。     

压力对碳氢氧超临界流体中碳的溶解度的影响

 采用统计热力学方法，利用CHEQ程序对5.5～7.7 GPa的压力和1 000～2 900 K温度下碳加水体系中碳的溶解度进行了计算。重点研究了石墨和金刚石在水中溶解度差与压力的关系，得出如下结果：（1）在一定压力下，使石墨和金刚石在水中的溶解度之差ΔX(C)为正值的温度有确定的下限和上限。（2）在高温高压下，对每一个压力，石墨和金刚石在水中的溶解度之差ΔX(C)都有一个极大值。使ΔX(C)为极大值的温度随着压力的升高而增大，同时，溶解度差的极大值本身也随压力的升高而增大。     

High pressure 1D and 2D NMR experiments on model biomembranes

Abstract

We developed a high-pressure high-resolution probe for NMR experiments on biological systems which enabled us to study the phase behaviour of model biomembranes by 1D and 2D NMR experiments at temperatures up to 65°C and at pressures up to 3000 bar.     

地表柯石英的实验室模拟合成及其形成机制的研究

 静高压合成柯石英的压力和温度的实验条件是提出地球板块折返假说的基础,然而,静高压没有反映局部碰撞和剪切应力的因素。考虑这些因素,提出了一种利用高能机械球磨与静高压相结合的、可以模拟地表柯石英合成的实验室研究方法,发现了一种由机械碰撞引起的α-石英中间亚稳相,其静高压致晶化成柯石英的条件为3.0 GPa、923 K、<1.0 min。如果沿袭传统的板块折返假设,对应此条件的板块俯冲深度应比Jr.L.Coes的结果浅20 km。发现了10 s量级的柯石英的短时间快速合成现象。由本方法合成的柯石英的Raman峰,涵盖了以前得到的天然柯石英和人工合成的柯石英的Raman信息。阐明了由本方法合成的柯石英在地质科学上的涵义,并提出了另一种可能的地表柯石英形成机制。     

高温高压条件下堆积颗粒的吸能效应

建立二维轴对称气固两相双流体物理模型.对三种不同源区初始质量比内能E0/10、E0/100、E0/1 000,固体堆积颗粒作用下气相流场能量、压力衰减进行数值模拟.结果表明:初始质量比内能越高,堆积颗粒作用下流场动能、内能衰减越快;初始质量比内能越高,流场压力衰减达到准静状态的速度越快,准静态后压力衰减也越快.     

高温高压下二辉橄榄岩的阻抗谱实验研究

 在1.0～4.0 GPa压力、1 073～1 573 K温度和10^-1～10⁷ Hz频率条件下,利用SARLTON-1260阻抗-增益/相位分析仪,就位测定了二辉橄榄岩的阻抗谱。实验结果表明：二辉橄榄岩的阻抗谱对频率具有很强的依赖性,并从阻抗谱的测试原理（颗粒内部、颗粒边缘、样品与电极间的导电机制）上做出了解释;温度是决定二辉橄榄岩电导率的一个重要物理参数,电导率随着温度的升高而增大,lg σ与1/T之间符合Arrenhius关系式;在高压实验中第一次将压力作为测量二辉橄榄岩电导率重要的约束因素,随着压力的增大,电阻率升高、电导率降低。     

Pressure dependent study of semiconductors using semiempirical equations of state

Abstract

Variation of bulk modulus of Si, Ge and GaAs with pressure is studied using four semiempirical equations of state, two of which being proposed very recently. Hence an expression for bulk modulus for arbitrary pressure for the semiconductors similar to Cohen's formula for zero pressure is arrived at. The applicability of these equations of state for the high pressure phases of Si and Ge is tested using the recent experimental and theoretical pressure-volume data of these phases.     

LaOBr:Tb3+，Dy3+的发光特性及高压研究

 采用高温常压方法合成了稀土发光材料LaOBr:Tb³⁺，Dy³⁺，采用高温高压方法对材料进行了处理，研究了高温高压处理前后样品发光特性的变化，并进行了发光衰减测量。结果表明，Dy³⁺的掺杂可以将Tb³⁺的⁵D₃能级的激发能有效地驰豫到⁵D₄能级，从而使⁵D₄~⁷F_J（J＝0, 1,…,6）的发射，尤其是⁵D₄~⁷F₅的发射明显增强，使得样品的发光亮度大大提高。Dy³⁺，Tb³⁺间存在交叉驰豫共振能量传递。高压处理过程引入的杂质、材料氧化及压致晶场变化都对材料的发光特性产生影响。     

高压下国产六面顶压机铰链梁和工作缸的应力分析

运用有限元理论,基于ANSYS对国产六面顶压机的铰链梁、工作缸和销轴进行了接触分析。模型中首次引入销轴,约束销轴的运动,使凸耳处的载荷情况更接近实际工况,避免了对铰链梁和工作缸单独分析所进行的大量近似和简化。模拟结果表明:铰链梁上的vonMises应力峰值主要分布在凸耳内通孔处,最大应力值为348.32 MPa;工作缸上的von Mises应力峰值主要分布在工作缸底部圆弧处,最大应力值为242.87 MPa;应力峰值均低于许用应力(486.67 MPa)。模拟结果得到了大量高压实验的验证。     

烧结压力对碳化钽陶瓷维氏硬度的影响

为了探究烧结压力对不同晶粒尺寸碳化钽(TaC)力学性能的影响,通过高温高压技术对纳米、微米尺寸TaC粉末进行高温高压烧结,制备不同烧结条件下的块状TaC陶瓷。利用X射线衍射等表征方法对烧结样品的物相、元素分布、压痕形态进行表征,结果表明:TaC在烧结过程中物相稳定,且无杂质渗入。利用维氏硬度计对不同烧结压力(3.0、4.0和5.5 GPa)条件下的3种陶瓷样品进行维氏硬度测试,并进行微观结构分析,结果表明:随着烧结压力由3.0 GPa提升到5.5 GPa,微米尺寸TaC的维氏硬度(21.0 GPa)优于3.0、4.0 GPa下的纳米尺寸TaC维氏硬度(17.5、19.2 GPa)。此外,研究发现,测试维氏硬度时,3.0 kg应用载荷对测试TaC维氏硬度更加精确。研究结果对结构陶瓷烧结和超高温陶瓷硬度研究具有指导意义。