路径积分分子动力学模拟在相变问题中的应用

依据玻恩-奥本海默近似,理论模拟分子与凝聚态体系材料的性质,需要人们对电子结构和原子核运动两个层面的内容都进行尽量准确描述.目前,电子结构的计算已相对成熟,很多情况下密度泛函理论、传统量化或量子蒙特卡洛方法都能在量子力学的层面给出相当精准的结果;但就原子核运动的描述而言,绝大部分理论方法却还依赖于经典力学.越来越多的实验和理论工作表明,在很多材料的相变过程中,原子核的量子属性可能对相变行为产生重要的影响.将路径积分分子动力学方法与两相法、自由能计算等分子模拟方法结合,可以有效地处理相变问题中的核量子效应,进而对材料的相变行为进行准确地描述.本文将结合两个具体的例子,简要介绍近几年我们在该研究方向的一些工作进展.     

二维材料的高通量筛选与光催化性能预测

近年来,通过机械剥离法、液相剥离法和分子束外延生长法成功制备了各种性能优异的二维(two-dimensional, 2D)材料,极大推动了对2D材料特殊性质的探索.传统实验的"试错法"面临着低效率、高成本等挑战,相比之下,第一性原理计算不仅能够预测2D材料的结构和物性,还能利用预测的性质设计其可能的制备路径和方法.如β-Sb的结构、黑磷(α-P)的高载流子迁移率和迁移率各向异性以及InSe/Zr₂CO₂的光催化性能等,均得到了实验验证,显示了理论计算的准确性.随着超级计算机性能的提高和大量材料数据库的建立,使用不同的算法筛选出潜在的2D材料,并结合第一性原理计算可以实现2D材料的靶向设计.本文先对理论计算方法作了简要介绍,随后介绍了2D材料理论计算的进展,最后对该领域未来的发展进行了展望.     

锂离子电池硅酸盐正极材料的研究进展

聚阴离子型正硅酸盐材料由于其具有较高的理论容量、高安全性、环境友好和价格低廉等特点, 被认为是下一代锂离子电池理想的正极材料之一. 本文介绍了这种材料的结构及性能特点, 并针对材料存在的电导率低、稳定性差、阳离子易混排等缺陷, 从优化合成方法入手, 综述了不同合成方法以及烧结温度对材料性能的影响, 探讨了碳的包覆及复合、金属元素的掺杂以及特殊的介孔结构对材料物化性能的影响, 提出了锂离子电池硅酸盐正极材料未来的研究重点.     

材料损伤的非线性超声评价研究进展

非线性超声技术由于能够克服传统线性超声的不足,对于微纳尺度缺陷(如位错、微裂纹等)较为敏感,受到研究者的广泛关注.本文介绍了非线性超声技术检测材料损伤的基本原理;对传播过程中非线性超声波与材料微观结构相互作用的理论研究以及非线性超声技术检测、评估材料损伤的实验研究进展进行了综述;最后基于非线性超声损伤检测研究的现状对该技术进一步发展进行了展望.     

高分子物理

高分子物理是一门新兴的边缘学科,它主要研究高分子的结构和性能以及它们两者之间的关系,其目的是合理使用高分子材料和有目的地去制造各种高分子材料。《高分子物理》一文详细介绍了高分子物理的主要理论,诸如分子链构象、溶液理论和橡胶弹性理论等等,以及研究高分子的种种实验技术。     

矫顽力测量动力学过程效应的探讨

磁记录材料的矫顽力是一个重要的参数.对一定的记录介质来说,过去一般都把它当作常数.近年Sharrock等人从超顺磁或材料的不稳定性模型出发提出了稳定磁记录材料矫顽力测量动力学过程效应的理论,认为由于热运动帮助磁畴的反转,是造成磁化强度在短时间内变化测得的矫顽力比长时间内变化测得的矫顽力大的原因.但这个理论至今还没有实验证明,我们用磁性测量的方法来验证这理论。     

硼化铝结构的从头计算分子轨道法

近年来,人们对元素簇在实验和理论研究方面做了大量工作。但对于铝硼簇AlB_n的研究,仅限于实验方面,理论研究未见报道。AlB_n簇合物具有特殊的电子结构和成键特征,表现出一些特有的理化性质。AlB_n可广泛地用于增强导体和半导体材料的机械性能,还可非常有效地调节半导体材料的导电性,特别是在高温半导体材料的研究中具有重要用途。本文用从头计算方法研究了AlB_n的结构和稳定性。     

基于第一性原理计算的低维功能材料分子设计

低维材料具有高比表面积以及独特的物理化学特性,是未来能源、信息等技术领域的重要研究内容,但如何实现特定结构和功能是其实际应用的基础.分子是保持化学结构和特性的最小单元,从分子基元出发,可以实现低维材料结构预测以及功能导向的理论设计.本文综述了低维功能材料理论设计方面的研究进展,结合分子设计策略和第一性原理电子结构计算方法,针对特定结构和性能开展理论设计,预测了复杂二维单质晶体结构以及一系列低维新型光催化材料和自旋电子学材料,并揭示了低维材料功能和分子基元物性之间的对应关系,总结和展望了低维功能材料分子设计的优势与挑战.     

MOFs作为模板制备锂离子电池负极材料的研究进展

金属-有机框架(MOFs)材料具有易制备、易修饰、高孔隙率、大比表面积、多化学活性位点、可调孔径大小等优点,已被广泛应用于能源储存与转化相关领域.本文介绍了MOFs直接作为锂离子电池负极材料的研究现状,同时重点综述了MOFs衍生材料(多孔碳、过渡金属氧化物、金属氧化物/碳质复合材料、金属/金属氧化物)的制备方法及其在锂离子电池负极中的应用,提出了此类材料作为锂离子电池负极材料需要重视的问题和面临的挑战.通过高温煅烧或者可控的化学反应等方法,MOFs材料可以简单方便地转化为传统的无机功能材料(金属化合物或碳).这些材料具有结构可调和化学成分多样化等优点,可以进一步提升电化学性能.最后,展望例如MOFs衍生材料在电化学储能和转换的发展方向和应用前景,为定向合成此类材料在电化学方面的应用提供有意义的实验基础和理论价值.     

超材料结构的弹性波带隙主动调控研究进展

周期超材料结构由多个相同的子结构根据一定的规律性和周期性组成,具有特殊的力学特性,比如带隙.弹性波只能在特定的频带(通带)内沿超材料结构传播,而在其他频带(带隙或禁带)内的弹性波将被阻隔.利用带隙特性可以实现弹性波过滤、振动和噪声控制等,由此学者进行了大量的研究工作,希望获得各种具有更好带隙特性的超材料结构.然而在实际工程应用中,超材料结构的尺寸往往已被固定,频率带隙的宽度以及位置往往成为限制其实用性的问题.因此,分析超材料结构中弹性波带隙的主动调控具有重要的理论与实际意义,可以为周期结构的振动控制和减振设计提供理论依据.本文针对周期超材料结构,综述了其中弹性波带隙主动调控问题的研究现状,简述了近年来发展的弹性波带隙主动调控研究方法,介绍了热点的研究结果,并提出了值得进一步深入研究的问题.     

基于环形蜂窝芯结构的负泊松比机械超材料

可实现负泊松比效应的蜂窝材料拥有独特的力学性能,在变体机翼柔性蒙皮等应用中,有着良好的前景.本文采用机械超材料的设计方法,改进了传统蜂窝材料的结构单元设计,提出了一种新型环形负泊松比结构,并建立了相应的力学模型.运用能量法研究了环形蜂窝芯结构的等效弹性模量与各结构参数之间的关系,建立了环形蜂窝芯在小形变范围内等效弹性模量的公式.通过有限元仿真,将理论计算结果与有限元计算结果进行对比,两者具有很好的一致性,验证了理论公式的正确性,对负泊松比机械超材料的设计与应用具有一定的指导意义.     

多铁性磁电复合薄膜

多铁性材料由于其不但具有单一的铁性(如铁电性、铁磁性和铁弹性), 而且由于不同铁性之间的耦合协同作用会产生新的磁电效应, 在换能器、传感器、存储器等高技术领域具有巨大应用潜力. 其中, 磁电复合薄膜由于具有良好的微电子工艺兼容特性和良好的性能, 并存在许多尚未解决的物理问题, 使得磁电复合薄膜的研究成为众多研究者关注的热点. 从实验和理论两个方面介绍了目前多铁性磁电复合薄膜的研究现状. 综述了1-3柱状结构、0-3颗粒复合结构和2-2叠层结构等几种典型结构的磁电复合薄膜的实验制备和性能, 同时介绍了用格林函数方法、相场模型和从头算方法等几种理论工具对磁电复合薄膜模拟计算的结果. 最后, 指出了目前存在的问题和发展趋势.     

飞秒激光诱导周期性表面结构及其应用

近年来,飞秒激光微纳加工技术引起了科学界的广泛关注.飞秒激光脉冲凭借其超短脉宽及超强的瞬时功率,较传统的激光加工有着明显的优势:几乎可以加工任何材料,非接触加工,非热加工,加工精度高,能够加工亚微米级结构和三维复杂结构,加工过程耗能低.飞秒激光加工材料的过程中会产生周期性的表面结构,这些表面结构会对材料的表面性能产生明显的影响,并且在国防、医疗、高端制造等多个领域具有巨大的应用潜力.因此,国内外研究人员对飞秒激光诱导周期性表面结构进行了系统深入的理论研究和实验研究.本文简要阐述了飞秒激光的基本特点及飞秒激光微纳加工的独特优势,对近年来关于飞秒激光诱导周期性表面结构(laser induced periodic surface structure,LIPSS)的理论与实验研究进行了综述,并阐述了这种周期性表面结构对材料表面浸润特性、光学特性以及表面拉曼增强的影响和研究进展,最后对LIPSS未来的研究方向进行了预测和展望.     

《功能与智能材料——结构演化与结构分析》

作者:王中林,康振川译者:孙家枢等出版日期:2002年5月 科学出版社出版定价:58.00元 本书从键合、分子轨道、配位出发,将原子尺度晶体结构基础与化学相结合,讨论了氧化物功能材料中的一系列晶体结构系统,把结构演化与稀土和过渡金属元素的混合价相联系,总结和探讨了功能和智能材料的性能与结构的本质联系和演化规律,从而为开发新型功能材料提供了理论基础.并从理论与实际方法上论述了分析、研究、表征这些功能材料原子分辨结构、化学和价结构分析的现代电子衍射和电子显微学方法. 本书可作为材料科学、物理学、材料现代测试分析技术等专业…     

声学黑洞研究进展与应用

声学黑洞结构作为一种新型的弯曲波调控技术,可以有效地降低结构中弯曲波的传播速度,减小边界末端的反射,形成具有高能量密度的区域,因此在减振、降噪、波动调控以及能量回收等方面具有广阔的应用前景.不同于以往复杂的减振降噪复合结构,声学黑洞因其结构与材料单一,在实际应用方面具有一定的优势.时至今日,针对声学黑洞结构已经进行了大量的基础理论研究和实验探索,并取得了一定的阶段性研究成果.本文首先介绍了声学黑洞的起源和基本原理.然后,全面介绍了理论计算和实验研究方法,详细地综述了声学黑洞结构的4个主要功能性分类,即减振、降噪、波动调控和能量回收,并总结了现在研究存在的问题.最后,对声学黑洞的发展前景进行展望,并指出了未来研究的重点和方向.     

强关联量子杂质体系的精确模拟

对复杂凝聚态体系中的局域量子态的精确描述,以及对量子态在外场、环境调控下的响应与演化机制的深刻理解,对量子功能材料与器件的构筑与设计有着重要的基础性意义.然而,如何精确刻画复杂材料体系中的量子相干、关联、纠缠等特性,对理论研究而言是个传统难题.本文从全新的视角,即"开放量子体系"的角度来研究复杂凝聚态体系中的量子态.简要介绍了近年来我们基于严格的量子耗散理论发展得到的级联运动方程方法,以及该方法在实验高度关注的强关联量子杂质体系的计算模拟研究方面的应用.     

沥青混凝土细观结构特性基因组研究综述

沥青混凝土材料的细观结构基因组研究是沥青路面服役性能描述及耐久性提升的关键。首先,调研现阶段主流的沥青混凝土细观结构特征的探测方法,对比分析CCD数字图像技术、X-ray CT无损检测技术以及3D激光扫描技术在沥青混凝土材料细观结构特征提取中的适用性和局限性;其次,从骨料和空隙两个方面对现阶段沥青混凝土细观结构特性的研究进行详细介绍,汇总分析材料细观结构特征的表征方法;最后,指明沥青混凝土的细观基因特性,并阐述现阶段材料细观基因组研究的不足以及研究前景。     

关于基于Galerkin截断的粘弹性结构动力学行为研究

随着高聚物材料和复合材料的广泛采用以及岩土力学、地质力学和生物力学的迅速发展,粘弹性理论的研究愈来愈受到重视,成为连续介质力学的重要组成部分.结构稳定性问题是力学系统稳定性研究的一个重要方面,特别是混沌和分岔等非线性动力学理论的发展为结构稳定性的研究提供了新的方法和观点,而结构稳定性问题也为非线性动力学的研究提供了物理和工程背景.Galerkin方法是一种广泛适用而又不失简洁的简化连续系统动力学数学模型的途径.本文综述了采用Galerkin方法分析粘弹性结构动力学行为的进展.分别总结了基于Galerkin截断研究粘弹性结构的稳定性和粘弹性结构混沌运动的成果.最后对研究前景进行了展望.     

二维材料的拉曼光谱研究进展

二维材料因其独特的结构与性质引起了科学家们的广泛关注.拉曼光谱是一种特征性强、快速、无损的材料结构表征方法,其在低维材料的结构表征方面具有独特的优势.本文主要综述了拉曼光谱在二维材料结构表征方面的研究进展.首先,系统介绍了二维材料结构和拉曼选律基础知识,并分析了二维材料的典型拉曼特征;其次,通过对二维材料的典型拉曼特征峰的峰位和峰强的分析,讨论了拉曼光谱测定二维材料的层数、边缘手性/晶格取向、合金成分等;然后,介绍了缺陷、掺杂、外界应力以及热效应对二维材料拉曼散射的影响;最后,结合二维电荷密度波材料相变过程中的结构和拉曼特征的变化,讨论了拉曼光谱在相变性质研究中的应用.     

纳米结构材料

本文综述了纳米结构材料的发展,介绍了纳米结构材料研究的晕新进展,同时还讨论了有关纳米结构材料研究中的一些问题,例如:制备技术、晶界结构、晶粒的相稳定性、纳米合金化等。