土壤中的"电场-量子涨落"耦合作用

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基本信息

  • 批准号：
    41530855
  • 项目类别：
    重点项目
  • 资助金额：
    297.0万
  • 负责人：
    李航
  • 依托单位：
    西南大学
  • 学科分类：
    D0709.基础土壤学
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2015
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2016-01-01 至2020-12-31

项目摘要

More and more studies have shown that, on the nano-micron scale of soil “mineral-humus-microbes-enzyme” system, because of the strong coupling effects of “electric field-quantum fluctuation”, the non-valence electrons of ion/atom may play crucial role in adjusting physical-chemical-biological processes in the system, therefore those coupling effects are closely relevant to soil macro effects and function. This important new thought will open a new door in basic soil science. The coupling effects of “electric field-quantum fluctuation” is related to whole soil physical, chemical and biological processes, but in this study we will focus our study on the physical-chemical aspect of the “electric field-quantum fluctuation” occurred on soil mineral, organic macro molecule and their solid/liquid interface. The research contents include: 1, systematically clarifying the “electric field-quantum fluctuation” of soil mineral, organic macro molecule and their solid/liquid interface and its theoretical bases; 2, establishing the quantitative characterization theories and methods for the energies and quantum states of non-valence electrons by non-classic polarizabilities; 3, establishing “electric field-quantum fluctuation” based new theories for describing solid/liquid interface; 4, establishing “electric field-quantum fluctuation” based new theories for describing soil mineral and macro molecule particle interactions.
近期研究发现，介观尺度上的土壤“矿物-腐殖质-微生物-酶”体系中，由于强烈的“电场-量子涨落”耦合作用，离子/原子的非价电子在调节这一系统中的物理、化学和生物学过程方面将扮演关键角色，因而与土壤系列宏观效应、状态和功能密切相关。这一重要发现可能开启基础土壤学研究新的大门。土壤中的“电场/量子涨落”耦合作用涉及土壤物理、化学和生物学的各过程，而本项目将研究目标限定在土壤矿物质和有机大分子固/液界面上的“电场/量子涨落”耦合作用的物理化学效应方面，具体内容包括：系统阐明土壤矿物质与有机大分子固/液界面上的“电场/量子涨落”耦合作用效应及其理论基础；建立强外电场条件下的非价电子能量与量子状态的“非经典偶极矩与极化率”表征原理与方法；建立基于“电场/量子涨落”耦合作用的固/界面液双电层结构与性质新理论；建立基于电场/量子涨落”耦合作用的土壤矿物/矿物、矿物/有机大分子相互作用新理论。

结项摘要

土壤是一个独特的强电场体系，土壤矿物质和大分子有机质胶体上的负电荷在其表面上可以形成108-109 V/m（水介质）或1010-1011 V/m（真空介质）的电场。本研究将量子力学原理应用于土壤电场体系，给出了土壤电场中原子/离子轨道的量子力学方程；获得了土壤这一电场体系中离子/原子Schrodinger方程的解，进而发现了土粒表面原子轨道重大变化，并形成了新的非对称杂化轨道；提出并证实了粘土中普遍存在反常极化和极化诱导共价作用；阐明了界面反应中“电场依赖型共价键-反常极化-静电作用”的耦合。在此基础上，开展了介观尺度上土粒相互作用研究，揭示了土壤中原子结构改变如何通过影响土壤界面反应来影响土相互作用；构建了“亚原子尺度原子轨道改变——原子/分子尺度上界面反应——土粒相互作用能——土粒凝聚活化能”之间的定量关联；揭示了土壤不同电性胶体和不同电性离子的相互作用之间的内在关联。在宏观尺度上，本研究发现可通过调节离子在土粒界面上的反常极化和极化诱导共价作用来调节土壤团聚体的稳定性；明确了DLVO、水合作用和渗透作用共同推动下的土壤水运动机制；揭示了“电荷、吸附态反离子、有机质含量和土壤机械组成”耦合下的土壤水运动规律；阐明了“电场-量子涨落”耦合作用是土壤流失和养分迁移发生的内在基础。与此同时，本研究还建立多个土壤学研究方法，包括：离子界面反应能测定、Hamaker常数测定、土粒引力位能测定和土壤颗粒表面性质多参数联合分析方法等。这些研究发现大多属于原创性成果，它们不仅深刻揭示了各尺度土壤过程间的内在关联，而且指出了建立土壤学独特知识体系的基本架构。因此，这些成果对未来基础土壤学发展将发挥重要推动作用。这些成果还具有重要的应用前景，如：黏土催化、重金属钝化、土壤酸化、矿物风化等微观过程调控，土壤流失与农田面源污染等宏观过程调控，以及土壤功能调控等。

项目成果

期刊论文数量（38）
专著数量（0）
科研奖励数量（3）
会议论文数量（0）
专利数量（1）
Asymmetric Hybridization Orbitals at the Charged Interface Initiates New Surface Reactions: A Quantum Mechanics Exploration
带电界面处的不对称杂化轨道引发新的表面反应：量子力学探索
  • DOI：
    10.1021/acs.jpcc.9b07874
  • 发表时间：
    2019-10-17
  • 期刊：
    JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C
  • 影响因子：
    3.7
  • 作者：
    Li, Qinyi;Yang, Sen;Li, Hang
  • 通讯作者：
    Li, Hang
Coupling effects of humus and 2:1 type electrolyte on soil water movement
腐殖质与2:1型电解质耦合对土壤水分运动的影响
  • DOI：
    10.1016/j.geoderma.2020.114482
  • 发表时间：
    2020-10
  • 期刊：
    Geoderma
  • 影响因子：
    6.1
  • 作者：
    Yu Linqiao;Tian Rui;Zhang Runhua;Liu XInmin;Li Rui;Li Hang
  • 通讯作者：
    Li Hang
Specific ion effects of divalent cations on the aggregation of positively charged goethite nanoparticles in aqueous suspension
二价阳离子对水悬浮液中带正电的针铁矿纳米颗粒聚集的特定离子效应
  • DOI：
    10.1016/j.colsurfa.2018.12.040
  • 发表时间：
    2019-03
  • 期刊：
    Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Zhu Longhui;Li Zhongyi;Tian Rui;Li Hang
  • 通讯作者：
    Li Hang
Effect of soil particle interaction forces in a clay-rich soil on aggregate breakdown and particle aggregation
富含粘土的土壤颗粒相互作用力对团聚体分解和颗粒聚集的影响
  • DOI：
    10.1111/ejss.12740
  • 发表时间：
    2019-03-01
  • 期刊：
    EUROPEAN JOURNAL OF SOIL SCIENCE
  • 影响因子：
    4.2
  • 作者：
    Hu, F.;Li, S.;Li, H.
  • 通讯作者：
    Li, H.
Water infiltration under different CaCl2 concentrations for soil with mainly permanent charges
以永久电荷为主的土壤不同CaCl2浓度下的水入渗
  • DOI：
    10.1016/j.still.2019.104416
  • 发表时间：
    2019-12
  • 期刊：
    Soil and Tillage Research
  • 影响因子：
    6.5
  • 作者：
    Zhang Runhua;Tian Rui;Zhu Longhui;Yu Zhaoxuan;Feng Dian Liu Bo;Li Hang
  • 通讯作者：
    Li Hang

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其他文献

天津地区雾天不同高度湍流输送特征的实验研究
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    2020
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
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  • 通讯作者：
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  • DOI：
    10.1016/j.still.2022.105488
  • 发表时间：
    2022-09
  • 期刊：
    Soil & Tillage Research
  • 影响因子：
    6.5
  • 作者：
    李依阳;朱颖灿;丁武泉;刘新敏;李航
  • 通讯作者：
    李航
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  • DOI：
    10.19328/j.cnki.1006-1630.2020.02.002
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    沈秀;张鹏;李航;李睿洋;王欣;华海明;黄伯阳;杨锦;赵金保
  • 通讯作者：
    赵金保
基于对象关系型数据库的IFC存储模型
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    张迪;刘华;李航
  • 通讯作者：
    李航

其他文献

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李航的其他基金

土壤胶体颗粒聚合过程中的强极化与极化诱导共价作用
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AI项目解读示例

课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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