金属玻璃的过去、现在和未来

金属玻璃(又称非晶合金)是一类原子结构长程无序、短程有序的金属材料。它是通过急冷、高压、强变形、先进制造等现代技术工艺以及熵或序调控理念合成的，兼具金属、玻璃、液体、固体和软物质等物态特性的新型金属材料，也是玻璃家族的新成员。金属玻璃突破了金属材料原子结构有序的固有概念，颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度。它对金属材料的研发、结构材料、绿色节能、磁性材料、催化、信息等领域产生深刻的影响，同时催生了准晶、高熵合金、复杂合金、高熵金属玻璃、非晶基复合材料等新金属材料体系，彻底改变了古老金属和玻璃领域的面貌。金属玻璃的发明和研究虽然只有不到百年历史，但已经在军工航天等高技术、绿色节能、信息电子器件、催化、防腐等领域有广泛的应用，也为研究材料科学、凝聚态物理、复杂体系中一些重要科学问题提供了独特的模型体系，并成为凝聚态物理的一个重要分支学科。文章回顾了近百年来金属玻璃研究和研发的历程，分析了当前该领域的前沿科学问题、发展方向、重要进展、机遇和挑战，以及在高新技术领域的应用，并探讨了金属玻璃及其相关领域如地外玻璃的发展前景。     

金属玻璃的过去、现在和未来

金属玻璃(又称非晶合金)是一类原子结构长程无序、短程有序的金属材料。它是通过急冷、高压、强变形、先进制造等现代技术工艺以及熵或序调控理念合成的，兼具金属、玻璃、液体、固体和软物质等物态特性的新型金属材料，也是玻璃家族的新成员。金属玻璃突破了金属材料原子结构有序的固有概念，颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度。它对金属材料的研发、结构材料、绿色节能、磁性材料、催化、信息等领域产生深刻的影响，同时催生了准晶、高熵合金、复杂合金、高熵金属玻璃、非晶基复合材料等新金属材料体系，彻底改变了古老金属和玻璃领域的面貌。金属玻璃的发明和研究虽然只有不到百年历史，但已经在军工航天等高技术、绿色节能、信息电子器件、催化、防腐等领域有广泛的应用，也为研究材料科学、凝聚态物理、复杂体系中一些重要科学问题提供了独特的模型体系，并成为凝聚态物理的一个重要分支学科。文章回顾了近百年来金属玻璃研究和研发的历程，分析了当前该领域的前沿科学问题、发展方向、重要进展、机遇和挑战，以及在高新技术领域的应用，并探讨了金属玻璃及其相关领域如地外玻璃的发展前景。     

热电材料的基本原理、关键问题及研究进展

热电材料是一种利用固体中载流子(电子和空穴)运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料,在温差发电和便携式制冷等领域得到重要应用。目前,如何协调优化载流子和声子的输运性能,从而提高热电材料能量转换效率,使其在利用余热发电方面发挥更大应用价值是材料学家研究的主要目标。简要介绍了热电效应的基本原理,总结了热电材料发展中的诸多关键科学问题,从结构设计(原子结构、纳米结构以及微米结构)方面综述了近年来的主要研究成果,并强调了温差发电技术对解决当前环境污染和能源危机的重要意义。     

电沉积制备钯微/纳米结构材料

利用准二维电沉积法, 通过控制不同浓度的PdCl2溶液和沉积电压, 在硅衬底上制备出了钯微/纳米结构材料, 分别用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对沉积物的形貌和结构进行了表征. 结果表明, 随着溶液浓度和沉积电压的不同, 沉积物呈现出准阵列、“树枝”状和膜状三种形貌, 溶液的离子浓度和生长电势对于沉积物形貌具有决定性的影响, 这些钯微/纳结构材料均由钯纳米颗粒构成, 属于面心立方结构.     

聚合物囊泡及其形成机理

聚合物囊泡因其独特的结构和应用背景以及作为高分子物理和软物质物理的理想模型体系得到了人们的广泛关注.本文综述了嵌段共聚物通过自组装所形成囊泡的结构、性质及其应用,并重点介绍了囊泡形成的动力学过程及其物理机制,其目的是使人们更有效地通过物理手段调控聚合物囊泡的结构及其形成过程.     

聚焦电子束诱导碳沉积实现纳米线表面可控修饰

作为一种典型的准一维纳米材料,纳米线具有纳米材料所特有的小尺寸效应或纳米曲率效应,经表面修饰的纳米线一般具有不同于普通纳米线的特殊性质.利用实验室发展成熟的透射电子显微镜原位辐照技术,以透射电子显微镜中残留的有机气体分子为前驱体,成功地在纳米线表面可控沉积了非晶碳纳米颗粒和碳纳米棒,以及局域凸起的非晶碳膜并形成局域肿大的同轴结构.实验结果表明,该方法能够方便地通过控制聚焦电子束的束斑尺寸、辐照方式、辐照时间以及辐照位置等参数,在纳米线表面精确可控地沉积各种非晶碳纳米结构,从而实现纳米线的表面可控修饰.对聚焦电子束辐照下基于纳米线的各种碳纳米结构的可能沉积机理作了进一步地探索,并针对透射电子显微镜中如何减少因电子束辐照诱导非晶碳沉积造成的样品污染提出了几点建议.     

近壁圆柱绕流尾流的特性

近壁圆柱绕流是许多工程问题分析简化的物理模型。圆柱尾流与壁面边界层的相互作用产生了复杂而丰富的多尺度湍流结构。文章对工程中由这种湍流结构引起的圆柱涡脱落频率、圆柱所受阻力和升力的变化，以及这种湍流结构的产生和演化的规律进行了综述和分析，并对进一步开展的研究提出了建议。     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

后处理条件对Ru(核)-RuO2(壳) 纳米颗粒结构和形貌的影响

利用光电子能谱仪(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱(EDS)研究了后处理条件(不同酸度的洗液及基底)对电化学合成的Ru(核)-RuO₂(壳) (RNCO)纳米颗粒的结构和形貌的影响. 结果发现, 直接用水洗的RNCO纳米颗粒会在铜基底上组装成线或棒, 而在单晶硅基底上没有发生明显的组装行为. 在稀盐酸洗涤过程中, RNCO的核壳结构被破坏, 并且各自发生聚集和生长, 当产物置于硅片上时, RNCO明显分离为RuO₂膜和金属Ru颗粒; 当产物置于Cu片上时, Ru生长成为方形颗粒, RuO₂颗粒黏附其上. 在浓盐酸中, RNCO的核壳发生化学反应生成新的钌氧化物相, 新物相以膜的形式铺展在硅片上, 而在Cu片上呈现角状结晶.     

量子计算与人工智能

文章探讨了量子计算在人工智能中的一些潜在应用，并回顾量子理论与人工智能之间的相互作用。通过介绍一些著名而简单的量子算法，让读者了解量子计算的能力。此外，文章对量子计算做了一个简单的概述，使读者对量子计算有一个全貌的认识。对于AI研究人员来说，此文将会是一座更加深入地探索AI与量子计算以及量子理论之间联系的桥梁。     

高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料，具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能，因此在高温防热结构部件上极具应用潜力。通过合理的结构与化学成分协同设计，可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征，从而进一步提高其力学性能，以满足实际应用需求。因此，文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料，提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1 000 ^oC/3~5 GPa/30 min)制备致密非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的方法。通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段，研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性，并对其力学性能，特别是断裂行为进行了详细讨论。结果表明，提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变，部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成，显示出依赖于硼含量的物相组成。高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化，导致材料内自由体积的湮灭和“河流状”断裂形貌的产生。随着烧结压力的提高，陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加。在相同烧结条件下，硼含量的增加削弱了非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性。1 000 °C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si₂B_1.5C₂N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm³、33.6±2.2GPa和414.2±16.5 GPa。     

平面不规则结构抗震设计方法的探讨

在地震作用下,平面布置不规则的建筑结构的地震反应复杂,为保证结构安全,结构的动力反应不能超过一些限定值。文章在对平面不规则结构的类别和与抗震设计有关的概念的深入剖析的基础上,分析不规则结构在地震作用下的动力反应特点,总结出设计平面不规则结构的一些方法。并引入动力规则性的概念和判别标准。以对结构设计工作效率的提高提供参考。     

冷冻电镜：四十年风雨无阻路终得云开见月明——2017年诺贝尔化学奖简介

电子显微镜强大的分辨能力能帮助人类展示微观世界的细节,在生命科学领域有着广泛的用途。但是,由于生物样品无法承受电子束的辐照损伤,电镜技术一直很难在生物样品上获得高分辨率信息。冷冻电镜技术的诞生以及近几年的分辨率革命开启了一个利用电镜技术解析生物分子结构的新纪元,该技术的几位先驱科学家也因此获得了2017年的诺贝尔化学奖。本文简要回顾了电镜三维重构技术和冷冻技术的历史和发展现状,并对未来作出展望。     

实时功能磁共振成像及其应用

实时功能磁共振成像通过技术手段将数据分析所需的时间缩短到可与数据采集时间相比拟的程度,从而能在实验进程中将大脑皮层活动情况即刻反馈给受试者,构成一个闭合的神经反馈回路.近年来随着数据采集技术与图像重建算法的改进以及计算机运算能力的提高,实时功能磁共振成像技术日趋成熟并在诸多方面得到应用.凭借实时功能磁共振成像提供的神经反馈,受试者能够自主调节相关脑区的激活水平,与被调节脑区相关的认知过程或行为也会随之变化,这为认知神经科学提供了一种新的研究范式.实时功能磁共振成像还可以用作具备优良空间分辨率和全脑覆盖性的脑机接口,通过对大脑皮层激活模式的分析对脑状态进行判断和分类,从而实现仅依赖大脑活动的交互方式.另外,实时功能磁共振成像在临床上的潜在应用也得到了广泛关注,它为神经系统或精神类疾病的治疗与康复提供了新的途径,患者有望通过神经反馈调控异常的大脑激活状况从而缓解相应症状.本文旨在对实时功能磁共振成像的概念、关键技术及相关应用进行详细的介绍,并对其面临的问题和发展的前景进行讨论.     

基于DNA G-四链体识别的抗肿瘤分子筛选及结构设计研究进展

以生物靶分子为基础进行抗肿瘤药物先导化合物的筛选是抗肿瘤药物研究的热点之一. DNA G-四链体结构的发现和现代分子生物学技术对其与癌症关系的揭示, 为目前抗肿瘤药物研发提供了一个新的契机. 能够诱导DNA形成G-四链体结构或者与G-四链体特异性结合并使之稳定的化合物有望抑制肿瘤细胞的生长, 从而达到抗癌的作用. 以G-四链体为抗癌药物作用靶点对化合物进行筛选和结构设计是目前化学家和生物学家的关注点. 本文旨在针对靶向G-四链体的抗肿瘤分子筛选、结构设计以及抗肿瘤药物开发三个方面的最新研究进展进行综述. 首先, 介绍两种基于G-四链体对其配体结构特异性识别而对化合物进行结构筛选的研究方法: 基于核磁共振进行抗肿瘤化合物筛选方法以及计算机虚拟筛选. 其次, 从化合物与G-四链体之间静电相互作用方面来进行G-四链体配体的结构设计, 主要包括以下4种类型: (1) 原位胺的质子化; (2) 通过杂环芳香族化合物上的N-甲基化; (3) 中心金属离子的存在; (4) 不带电荷的化合物. 最后, 对目前基于G-四链体为抗肿瘤作用靶点、已经走向临床实验的CX-3543, AS1411两个抗肿瘤药物的开发与作用机制进行介绍.     

煤层采空区勘探新方法与新技术应用效果初探

文章介绍了应用瞬变电磁法（TEM）和可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）在山西省汾西矿业集团柳湾煤矿探测煤层采空区、积水区的应用方法和效果,说明了这两种方法在煤层采空区探测领域有着广泛的应用前景。     

张弦式网壳结构的设计与研究

张弦式网壳结构与其他空间结构形式相比有诸多优点,成为现代大跨度空间结构的发展方向。针对张弦式网壳结构的特点,讨论了预应力拉索在该结构中的作用,指出了在设计中应注意的问题,为类似工程的设计提供了参考。     

α-螺旋跨膜蛋白的折叠和自组装

膜蛋白参与细胞中的各项生命活动,具有复杂而特殊的生理功能,同时它也是重要的药物标靶,因此研究膜蛋白的结构及功能对于保持人类健康和治疗疾病具有重要的意义.α-螺旋跨膜蛋白是生物体内最为重要和广泛的一类膜蛋白,本文综述了α-螺旋跨膜蛋白在折叠和自组装特性上的最新研究进展,总结了跨膜过程中的两阶段模型;详细介绍了α-螺旋跨膜蛋白的跨膜性质及其跨膜的影响因素,包括跨膜序列的长度和疏水性、疏水性错配和界面锚固、极性残基和脯氨酸等;进一步总结了α-螺旋跨膜蛋白通过跨膜螺旋相互作用形成高度有序自组装体的结构基础;并介绍了研究α-螺旋跨膜蛋白折叠和自组装常用的化学和生物学方法,希望能为进一步开展该领域研究提供参考。     

原位观察电子束辐照下双壁碳纳米管的不稳定性

室温下利用高分辨透射电子显微镜原位观察了两端固定和一端固定、另一端自由的双壁碳纳米管在电子束辐照下的结构不稳定性.实验发现,在相同辐照条件下,两端固定的双壁碳纳米管首先径向持续均匀收缩,然后局部颈缩,最后在颈缩处断裂;一端固定、另一端自由的双壁碳纳米管轴向长度持续快速缩小,而径向收缩相对缓慢.我们利用最近提出的表面纳米曲率效应和能量束诱导非热激活效应基础上新发展的碳原子"融蒸"和"扩散"机制,对上述电子束辐照下双壁碳纳米管结构不稳定现象进行了全新、合理的解释.