物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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自扩散泳微观转动马达的介观模拟
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氮掺杂石墨烯纳米片的制备及其电化学性能
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基于KH550-GO固态电解质中电容耦合作用的双侧栅IZO薄膜晶体管
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物理学报. 2016, 65 (17): 178501
物理学报  
   物理学报--2016, 65 (17)   发布日期: 2016-09-05
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编者按:
        在物理学研究的早期历史上,很多享誉世界的大科学家如爱因斯坦、朗缪尔、弗洛里等, 都对软物质物理的发展做出过开创性贡献。自de Gennes 1991年正式提出“软物质”概念以来,软物质物理学发展更为迅猛,不仅极大地丰富了物理学的研究对象,还对物理学基础研究,尤其是与复杂体系、非平衡现象(如生命现象)密切相关的物理学提出了重大挑战。作为物理学与数学、化学、生物学、工程等学科的重要交叉点, 软物质物理的研究, 无疑对推动多学科的交集协同发展, 有着极其重要的作用。
        2005年,著名学术期刊《Science》在创刊125周年之际提出了125个世界性科学前沿问题,其中13个直接与软物质交叉学科有关。其中包括“自组织的发展程度”更是被列入前25个最重要的世界性课题中的第18位,“玻璃化转变和玻璃的本质”也被认为最具有挑战性的基础物理问题以及当今凝聚态物理的一个重大研究前沿。2007年,美国物理学会凝聚态物理委员会(CMMP 2010 Committee)发布报告《凝聚态与材料物理:我们身边的科学》,列出未来十年物理学面临的六个重大课题,其中四个直接与软物质和生命系统相关。2013年,以John Hemminger教授为首的委员会在给能源部的一份报告中写到,“对物质宏观行为至关重要的功能的结构叠加,往往不是起源于原子或纳米量级,而是发生在介观尺度......我们已准备好揭开并控制介观尺度功能的复杂性。”在这个尺度上,经典的微观科学(连续)与现代的纳观科学(量子)产生了碰撞,这将对未来几十年的研究产生深远影响,而软物质的结构特征正好体现在该尺度上。
        由于迷人的物理性质,以及巨大的实用价值、社会需求,软物质研究已经成为当代物理学乃至整个物质科学的重要组成部分,其基础性、复杂性、新奇性将为物质科学的发展注入源源不断的活力。软物质研究对材料、能源、环境、医药健康等人类面对的重大问题也有着深远的影响,对我国的国计民生具有重大的战略价值。
        本刊组织的“软物质研究进展”专题, 就软物质研究中的发展现状和最新的研究成果, 进行了总结与回顾。从软物质中的理性连续介质,生物膜泡的理论研究,到胶体及颗粒多相材料; 在17期和18期分两部分从高分子物理相关研究,到超分子凝胶与介观结构的结构与性能的关系;从”纳米原子”到”巨型分子”, 干活性物质的动力学理论,到受限液晶系统的理论新进展,都做了深入浅出的总结与分析。在低维材料与相关性能方面, 本专题包括了准一维、二维受限空间到生物以及材料表面, 蛋白纤维的组装动力学, 管腔结构软组织的三维形貌失稳,水的奇异性质与液-液相变,微观尺度下的水,仿生多尺度超浸润界面材料等体系。在相关实验技术的方面, 本专题着重介绍了仿生微流控的发展与应用, 场诱导智能软物质材料研究进展,高分子薄膜表征技术, 弹性蛋白力学特性的单分子力谱研究,单分子操控技术,以及摄像显微技术在实验软物质物理中的应用。生物物理与生物医学是软物质物理研究的重要分支,为此, 本专题涵盖了DNA及DNA分子计算;细菌运动中的物理生物学,癌细胞信号网络动力学研究;蛋白质结构预测; 癌细胞体外实验模型及成型技术现状和展望等。
        鉴于软物质研究的交叉学科的特点与体系的多样性与复杂性, 本专题只能对该领域一些重点方向的最新进展进行介绍,帮助读者了解该领域的特点与概貌。 以期拋砖引玉,为推动对软物质研究的进一步深入尽微薄之力。
(客座编辑:中国科学院理论物理所研究所 欧阳钟灿; 新加坡国立大学物理系, 厦门大学物理科学与技术学院 刘向阳)
专题: 软物质研究进展

受限液晶系统的理论新进展
Recent theoretical development in confined liquid-crystal polymers

梁琴, 陈征宇
物理学报. 2016, 65 (17): 174201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.174201
全文: [PDF 1120 KB] 下载:(466)
摘要

受限液晶体系是软物质领域里一类基本的问题,理论方法是研究该问题的一种重要的手段. 本综述简要回顾了液晶体系理论的发展历程,介绍了Onsager模型、 Maier-Saupe模型、Landau-de Gennes展开、 Frank弹性模型和高分子液晶的自洽场模. 近几十年,使用这些理论模型,辅以适合的边界条件,已有大量的针对受限液晶体系的理论研究,本文重点介绍了受限体系最近20-30年的主要进展,包括狭缝中液晶体系的实验与理论进展、限制在二维平面中封闭曲线内液晶体系的指向行为、限制在三维球面上刚性分子的缺陷结构的研究进展,在此基础上指出了学科中尚未解决的前沿问题及与实际应用有关的重大问题.

超分子凝胶与介观结构
Supramolecular gels and mesoscopic structure

林乃波, 林友辉, 黄巧玲, 刘向阳
物理学报. 2016, 65 (17): 174702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.174702
全文: [PDF 1578 KB] 下载:(316)
摘要

从介观结构角度综述了超分子凝胶晶体网络结构的形成机理、结构特性对宏观性能的影响以及超分子凝胶的设计与调控,系统总结了超分子凝胶的表征方法. 超分子凝胶的性能由层级结构决定,介观结构可大幅提高材料的宏观性能,其结构与性能可以通过四个因素相关联:拓扑结构,相关长度,对称性/有序性和晶体网络间的结合力. 基于对超分子凝胶的介观概念更深、更新的理解,该类材料的研究和开发将被推向新的阶段.

胶体在基础物理研究中的应用
Colloids in the study of fundamental physics

张天辉, 曹镜声, 梁颖, 刘向阳
物理学报. 2016, 65 (17): 176401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.176401
全文: [PDF 1530 KB] 下载:(406)
摘要

胶体颗粒在溶液中展现出丰富的类原子相行为. 因此胶体体系被广泛用作研究相变过程的实验模型体系. 在过去二三十年中,利用胶体体系,人们对结晶、成核、玻璃化转变和缺陷等基础物理现象做了大量的深入研究,并取得了丰富的成果. 这些成果极大地拓展和完善了人们对各种相变现象的了解. 本文对最近相关的研究进展和研究成果做了回顾和总结,对正在兴起的研究方向做了介绍,对未来可能的发展方向和面临的挑战做了简述.

液态水中的多种局域结构
Multiple types of local structure in liquid water

杨成, 周昕
物理学报. 2016, 65 (17): 176501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.176501
全文: [PDF 802 KB] 下载:(339)
摘要

对于液态水中的微观结构到底是均匀的还是由多种结构混合而成,这一问题的争论已经持续了一个多世纪. 随着多种水的非晶体的发现以及计算机技术的进步,混合模型逐渐得到更多的关注. 本文首先介绍在模拟和实验上验证液态水中存在多种微观结构的最新进展;然后使用主成分分析方法研究液态水的拉曼谱和四面体序分布,发现它们可以通过两个基本的函数线性叠加而得到,对应液态水中存在两种微观结构;最后介绍了使用二元溶液理论来解释水的一些热力学性质的工作,以及水的液液相变理论的进展.

高分子薄膜表征技术
Characterization tools for polymer thin films

曾娴, 杨朝晖, 张晓华
物理学报. 2016, 65 (17): 176801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.176801
全文: [PDF 967 KB] 下载:(309)
摘要

随着纳米技术在微电子、生物医药、能源等领域的快速发展,如何在纳米尺度构筑性能稳定、性质均一的多功能纳米器件已成为纳米科技领域最具有挑战性的前沿技术之一。 具有广泛应用前景的高分子薄膜的制备、性质以及应用研究一直以来都受到学术界与工业界的高度关注 对高分子薄膜的内部结构、表面形貌、机械性能、电化学性能等的检测一直是高分子领域的主要研究热点之一。 本文综述了高分子薄膜的测试方法,包括原子力显微镜、电子显微镜、X 光散射、中子散射、椭圆偏振光等表征技术.

软物质系颗粒材料组成、微结构与传输性能之间关联建模综述
A review of correlative modeling for transport properties, microstructures, and compositions of granular materials in soft matter

许文祥, 孙洪广, 陈文, 陈惠苏
物理学报. 2016, 65 (17): 178101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178101
全文: [PDF 1315 KB] 下载:(313)
摘要

作为一种典型的软物质体系,颗粒材料的传输性能对相关工程材料在实际工程中应用的耐久性和服役寿命具有至关重要的影响. 材料的物理性能通常依赖于其微结构特征,而颗粒材料微观结构的形成又直接与其成分结构密切相关. 因此,清楚、准确地认识颗粒材料的组成、微结构与其传输性能之间的多尺度关联机理是提升颗粒材料力学性能和耐久性的保障. 本文综述了当前颗粒多相复合材料传输性能建模的研究现状,着重介绍了颗粒材料传输性能建模涉及的三个主要方面:颗粒材料组成结构的建模、材料内部孔相和界面微结构的定量表征、颗粒材料传输行为的建模方法. 并对复杂拓扑几何颗粒的构造、非球形粒子接触判据和随机堆积模型、界面厚度和孔隙率分布、 界面体积分数、 软化粒子(包括孔隙和界面)渗流以及颗粒多相复合材料有效扩散和反常扩散性能等领域的研究进展和前沿给予阐述,总结和展望了颗粒多相复合材料多尺度力学行为建模有待拓展的研究方向.

变换热学:热超构材料及其应用
Transformation thermotics: thermal metamaterials and their applications

沈翔瀛, 黄吉平
物理学报. 2016, 65 (17): 178103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178103
全文: [PDF 2084 KB] 下载:(306)
摘要

热输运是自然界中最普遍的现象之一,如何高效操控热流在工业等领域有着巨大的应用价值. 尽管主导热传导过程的扩散方程与波动方程迥异,但是,自2008年和2012年起,已有研究人员成功地将变换理论推广到宏观热传导领域. 自此之后,多种具有特异性质的新型热材料在变换热学的理论框架下被设计出来,并同时获得实验验证. 本文介绍该领域的研究进展,并同时介绍在热超构材料实验中软物质材料所起的关键作用.

DNA及基于DNA链替换反应的分子计算
DNA and DNA computation based on toehold-mediated strand-displacement reactions

肖石燕, 梁好均
物理学报. 2016, 65 (17): 178106      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178106
全文: [PDF 1077 KB] 下载:(219)
摘要

DNA是生物遗传信息的载体,同时也是一种理想的生物相容材料. 单链黏性末端(toehold)协助的链替换反应是DNA常温纳米技术的基础. 利用DNA的碱基互补特性和碱基序列的可编程性,人们可以基于DNA链替换反应构建分子机器并对其运转进行精确调控,实现各种复杂分子计算. 本文回顾了近年来DNA结构和力学性质方面的研究进展,探讨DNA链替换反应的微观理解,介绍DNA分子计算领域的最新成果,以及它在DNA恒温自组装等方面的应用.

蠕虫状链模型在高分子物理研究中的应用
The applications of the wormlike chain model on polymer physics

蒋滢, 陈征宇
物理学报. 2016, 65 (17): 178201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178201
全文: [PDF 565 KB] 下载:(204)
摘要

蠕虫状链模型可以更好地描述非柔性高分子的空间链构象统计,因此被公认为是更加接近真实高分子的粗粒化高分子链模型。本文从蠕虫状链模型的物理特点出发,简单回顾了该模型在自洽场理论方法中的发展历程,着重从三个研究方向总结了近年来蠕虫状链模型在高分子物理研究中的应用:高分子液晶相结构及其转变的研究;几何表面对高分子体系的影响;蠕虫状嵌段共聚物自组装。最后,针对现有理论的发展现状,对未来基于该模型的场论模拟方法的发展方向提出了展望。

仿生微流控的发展与应用
Development and application of bio-inspired and biomimetic microfluidics

闵伶俐, 陈松月, 盛智芝, 王宏龙, 吴锋, 王苗, 侯旭
物理学报. 2016, 65 (17): 178301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178301
全文: [PDF 1739 KB] 下载:(309)
摘要

仿生微流控技术将仿生结构设计应用到微流体装置中,具有很强的学科交叉性. 本文提出了通过仿生手段突破微流控的技术瓶颈,从而提高微流控器件的抗污染性能,告别单一功能的微流控系统应用的局限性,实现微尺度下通道的智能化及动态环境变化下的高适应性等. 本文提出了仿生微流控的概念,重点介绍了仿生微流控在器件抗污染、器件智能化、生物学和医药方面的最新研究进展,从仿生设计导入应用前景,并探讨了所涉及的物理问题和关键技术,以期为智能微流控芯片的设计开发和应用提供新思路,并为软物质的开发应用、多功能型智能化仿生器件的设计、制备及应用提供参考.

蛋白质结构预测
Protein structure prediction

邓海游, 贾亚, 张阳
物理学报. 2016, 65 (17): 178701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178701
全文: [PDF 588 KB] 下载:(496)
摘要

从氨基酸序列出发预测蛋白质的三维结构是目前计算生物学和生物物理学领域最具挑战性和影响力的研究方向之一. 本文从结构预测的研究背景出发,简要介绍了它的理论意义、应用需求及基本现状;并根据结构预测的一般步骤,依次介绍了构象初始化、构象搜索、结构筛选、全原子结构重建、结构优化等基本预测过程;随后分基于模板和无模板两类,各列举了几种具有代表性的结构预测方法;最后对该领域的盛事——国际蛋白质结构预测技术评估大赛(CASP)——做了简单介绍.

肌动蛋白纤维的组装动力学
Dynamics of actin monomers assembled into long filaments

郭坤琨, 谢仪
物理学报. 2016, 65 (17): 178702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178702
全文: [PDF 603 KB] 下载:(132)
摘要

以细胞骨架中肌动蛋白纤维为例,针对肌动蛋白亚基结合核苷酸状态简化为单态和双态两种模型,介绍了肌动蛋白纤维的组装动力学,并着重阐述了肌动蛋白纤维稳态时出现的“踏车现象”和长度扩散行为.

细菌运动中的物理生物学
Physical biology of bacterial motility

司铁岩, 袁军华, 吴艺林, 唐建新
物理学报. 2016, 65 (17): 178703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178703
全文: [PDF 892 KB] 下载:(314)
摘要

细菌是一个包含从分子到宏观多尺度多系统强烈耦合的复杂生物体系. 细菌的运动行为在每一个时空尺度都蕴含有丰富的生物和物理学现象. 例如,细菌对氧气和很多化合物有很强的应激反应;细菌体内信号传感网络会影响细菌鞭毛马达的转动;纳米尺度的细菌鞭毛马达转动会影响细菌在界面附近的游动、趋化性、积聚、粘附、飞速旋转;单个细菌的活跃状态和环境的物理化学性质又会影响细菌部落的生长过程.微生物膜在空间中的扩张会形成丰富多彩的宏观自组织斑图. 细菌运动的物理生物学涉及到力学,流体和统计物理等等多个学科的研究范畴. 本文分别介绍细菌鞭毛马达、 细菌微生物膜的集群运动、细菌在界面的运动以及细菌趋化性和生化信号传感等方面的若干最新研究进展.

癌细胞信号网络动力学研究
Dynamical studies of cellular signaling networks in cancers

李翔, 刘锋, 帅建伟
物理学报. 2016, 65 (17): 178704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178704
全文: [PDF 1505 KB] 下载:(281)
摘要

癌症不仅是一种基因突变疾病,更是一种涉及诸如增殖、分化、凋亡和侵袭等多条细胞命运抉择的信号转导通路疾病. 癌细胞内的信号通路虽然非常复杂但我们可以专注于关键蛋白的信号网络建模,定量研究癌细胞核心信号通路的动力学和功能调控机理. 本文结合一些具体网络模型,介绍癌细胞信号网络动力学的研究进展. 首先介绍信号网络的基序动力学研究,然后讨论细胞存活、增殖、侵袭、凋亡等单个功能模块的网络建模,以及几个模块耦合的信号网络,和以癌细胞为整体的癌细胞信号网络建模. 这些研究表明,基于核心信号通路动力学的研究确实能促进对肿瘤发生发展机理的了解,为肿瘤的治疗和药物靶点的设计提供线索和思路,这些令人振奋的研究将激发未来更多类似的工作.

摄像显微技术在实验软物质物理中的应用
Application of video microscopy in experimental soft matter physics

王华光, 张泽新
物理学报. 2016, 65 (17): 178705      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178705
全文: [PDF 1358 KB] 下载:(183)
摘要

摄像显微技术借助强大的显微成像手段和严谨的数学物理语言,以精密微观测量和定量图像分析为基础,是在实空间上研究软物质体系的微观性质的重要实验技术. 一方面,摄像显微技术为人类观察和记录微观世界提供了基本工具;另一方面,摄像显微技术为科学家研究微观世界的物理规律提供了无法替代的实验手段. 本文回顾了摄像显微技术的发展历史,介绍了摄像显微的实验技术和数据处理方法,概述了利用摄像显微技术在胶体物理研究的典型应用以及国内的最新进展. 最后,展望了未来摄像显微技术在软凝聚态物理及交叉学科中的应用.

总论

自扩散泳微观转动马达的介观模拟 Hot!
Mesoscale Simulation of self-diffusiophoretic microrotor

沈明仁, 刘锐, 厚美瑛, 杨明成, 陈科
物理学报. 2016, 65 (17): 170201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.170201
全文: [PDF 821 KB] 下载:(395)
摘要

转动的微尺度马达是一类重要的微流器件. 近年来,因为其重要的应用及理论价值引起了学术界的广泛关注. 本文提出了一种新型的自扩散泳驱动的微观转动马达模型. 通过介观动力学模拟,我们验证了该模型的有效性. 模拟结果表明,该自扩散泳微观转动马达可以单向地自驱动转动,并且转动速度和马达表面发生的催化化学反应速率(即自产生的浓度梯度场强弱)、以及液体分子与马达之间的相互作用有关. 此外,我们研究了两个转动马达共存时的运动行为,重点考察了马达之间的流体力学相互作用和浓度梯度场效应对马达转动的影响. 该自扩散泳微观转动马达为设计实用的微流器件提供了新的思路和参考,也为研究活性胶体系统的集体行为提供了理想模型.

在不同初态下Dzyaloshinskii-Moriya相互作用及内禀退相干对海森伯系统的量子纠缠的影响
Effects of Dzyaloshinskii-Moriya interacton and decoherence on entanglement dynamics in Heisenberg spin chain system with different initial states

丛美艳, 杨晶, 黄燕霞
物理学报. 2016, 65 (17): 170301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.170301
全文: [PDF 688 KB] 下载:(120)
摘要

研究了存在内禀退相干时,对于不同的系统初态,具有DM相互作用和各向异性的三粒子XXZ海森伯模型的对纠缠动力学特性,得出了一些结论:系统的对纠缠度与各向异性参数Δ 无关,但内禀退相干对系统的纠缠有明显的抑制作用. 在内禀退相干存在时,若系统初态为纠缠态,选择合适的DM相互作用的参数,系统的对纠缠有一个非零的稳定值;系统初态为分离态时,系统的对纠缠会随时间震荡衰减,并且每次震荡会出现纠缠突然死亡现象,系统的对纠缠最终达到解纠缠状态. 因此,选择合适的系统初态和DM相互作用参数可以有效的控制系统地对纠缠.

基于自适应模糊控制的分数阶混沌系统同步
Synchronization of fractional-order chaotic systems based on adaptive fuzzy control

陈晔, 李生刚, 刘恒
物理学报. 2016, 65 (17): 170501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.170501
全文: [PDF 1391 KB] 下载:(265)
摘要

本文主要研究了带有未知外界扰动的分数阶混沌系统的同步问题. 基于分数阶Lyapunov稳定性理论,构造了分数阶的参数自适应规则以及模糊自适应同步控制器. 在稳定性分析中主要使用了平方Lyapunov函数. 该控制方法可以实现两分数阶混沌系统的同步,使得同步误差渐近趋于0. 最后,数值仿真结果验证了本文方法的有效性.

基于长余辉材料的激光书写和显示
Writing and displaying by the laser on a long lag phosphor material

梅屹峰, 唐远河, 梅小宁, 刘汉臣, 刘骞, 余洋, 李宁远, 高恒
物理学报. 2016, 65 (17): 170701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.170701
全文: [PDF 622 KB] 下载:(84)
摘要

本文给长余辉材料一个新的用途,研制了一台以长余辉材料为屏幕的激光书写显示装置,可以人为控制激光笔在余辉材料上随意书写文字、画图并显示. 该装置利用单片机和步进电机控制两组轴镜在不同方向的转动,从自己建立的开源矢量图库中调用相关图片,使激光光束在长余辉材料上进行二维矢量的扫描,完成文字书写和绘图显示. 用VASP(Vienna abinitio simulation package)软件计算出长余辉材料Mn(H2PO42的能级结构,测试了SrAl2O4:Eu2+,Dy3+和Mn(H2PO42的余辉强度衰减曲线,便于调整样机电机的书写速度,测试了Mn(H2PO42的反射谱和拉曼谱,其拉曼峰值在625,769和1049 nm及远红外. 通过理论和实验研究,掌握了与相应长余辉材料匹配的激发最佳激光波段. 制作样机后得到英文、中文、图像的实时书写和显示结果. 本装置犹如一只无形的“笔”在纸上挥舞,流畅书写绘画,书写过程配上音乐颇具观赏性,该装置可应用于商业广告显示、动态标语书写、教学投影辅助设备、舞台效果、新型艺术表现形式等领域.

原子和分子物理学

物理截断与电子局域函数结合法研究非晶态结构中的原子成键
Bonding nature of the amorphous structure studied by a combination of cutoff and electronic localization function

王鑫洋, 陈念科, 王雪鹏, 张斌, 陈志红, 李贤斌, 刘显强
物理学报. 2016, 65 (17): 173101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.173101
全文: [PDF 425 KB] 下载:(142)
摘要

本文将常用的键长物理截断方法与电子局域函数方法相结合,运用于分析共价系统的非晶态结构,得到了更合理的原子成键信息,提高了非晶态结构模型分析的可靠性. 本工作以相变存储材料GeTe合金为例,通过采用上述方法详细研究了GeTe合金非晶态中原子间成键及结构信息,确定了其合理的成键物理截断长度为3.05 Å,电子局域函数阈值为0.63. 研究结果显示,当电子局域函数的数值由0.58逐渐增大至0.63时,结构中所截断的化学键大部分是强度较弱的非同质键(即Ge-Te键),而强度较强的Ge-Ge键的数量几乎不变. 对Ge原子配位数和其键角分布等结构信息的分析表明,Ge原子以3配位和4配位为主,其中3配位的Ge原子主要是以缺陷八面体形式存在,而4配位的Ge原子则主要以四面体的形式存在. 此外,在本研究工作中所建立的确定成键物理截断长度及电子局域函数阈值的方法也可以应用于其他具有共价键性质的非晶态材料研究.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

基于超表面的无磁性材料环行器
Magnetless circulator based on phase gradient metasurface

邱天硕, 王甲富, 李勇峰, 王军, 闫明宝, 屈绍波
物理学报. 2016, 65 (17): 174101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.174101
全文: [PDF 528 KB] 下载:(182)
摘要

目前,广泛应用环行器均需要铁氧体材料并外加偏置磁场以达到环行效果,具有重量大,对温度敏感等缺点. 本文基于透射型相位梯度超表面,利用相位梯度超表面的异常折射特性,基于几何光学原理设计了一种无需铁氧体材料和外加磁偏置的环行器. 实验结果说明,在20.8 GHz附近,该器件呈现显著的环行效果. 这种环行器重量显著降低,对温度变化不敏感,提供了一种环行器设计的新思路,具有潜在的应用前景.

基于五模材料的圆柱声隐身斗篷坐标变换设计
Research on coordinate transformation design of a cylinderical acoustic cloak with pentamode materials

陆智淼, 蔡力, 温激鸿, 温熙森
物理学报. 2016, 65 (17): 174301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.174301
全文: [PDF 655 KB] 下载:(237)
摘要

五模超材料具有与流体相似的物理性质,为各向异性流体的物理实现提供了途径,因此Norris提出了将其用于声隐声斗篷设计的思路. 本文对Norris五模超材料声隐声斗篷设计中提出的坐标变换方程进行研究,利用有限元方法对不同坐标变换下声隐声斗篷的平均可视度进行数值计算,分析了五模超材料斗篷的隐身性能影响因素及规律. 结果表明,通过选取不同的坐标变换方程改变其物性参数分布,能够调节斗篷中的声波传播路径,对声隐声斗篷的声散射特性产生明显影响. 因此,选择合适的坐标变换方程能够有效改善隐身性能.

对称式布局介质阻挡放电等离子体激励器诱导启动涡
Experimental investigation on the starting vortex induced by symmetrical dielectric barrier discharge plasma actuator

张鑫, 黄勇, 王万波, 唐坤, 李华星
物理学报. 2016, 65 (17): 174701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.174701
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摘要

为了进一步提高等离子体激励器控制能力,采用粒子图像测速仪技术,以介质阻挡放电等离子体激励器为研究对象,开展了有、无来流条件下等离子体诱导启动涡的实验研究,获得了来流对启动涡发展演化及生存时间的影响. 与传统非对称布局介质阻挡放电等离子体激励器相比,本文采用整个平板金属模型作为植入电极的对称布局方式开展研究. 在金属模型表面黏贴聚酰亚胺胶带作为绝缘介质. 将铜箔作为暴露电极沿平板展向布置,使激励器诱导气流沿流向方向. 研究结果表明:对称布局式激励器会在暴露电极两侧产生一对方向相反的启动涡. 在顺流向方向,来流加速了启动涡的破碎;在逆来流方向,来流延长了启动涡的生存时间,从而增加了激励器的掺混能力. 该布局激励器具有掺混及射流效应两种能力,为提高等离子体激励器在高风速或高雷诺数下的控制效果积累了技术基础.

凝聚物质:结构、力学和热学性质

单层二硫化钼力学性能温度和手性效应的分子动力学模拟
Molecular dynamics simulation of effects of temperature and chirality on the mechanical properties of single-layer molybdenum disulfide

李明林, 万亚玲, 胡建玥, 王卫东
物理学报. 2016, 65 (17): 176201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.176201
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摘要

针对文献中单层二硫化钼力学性能随温度变化趋势的不明确,本文基于Stillinger-Weber(SW)原子间势函数,采用经典分子动力学方法对单层二硫化钼在不同热力学温度下(1-800 K)的力学行为进行了单轴拉伸模拟,研究温度和手性对其力学性能的影响. 结果表明:单层二硫化钼的杨氏模量、抗拉强度、拉伸极限应变等力学性能均随温度的升高而显著减小;单层二硫化钼的杨氏模量和抗拉强度存在明显的手性效应,而不同手性方向的拉伸极限应变差别不大,可以忽略;温度低于800 K时,不同手性二硫化钼断裂之前受拉加载和卸载均没有明显的相变发生;温度在1 K时,沿锯齿方向受拉的单层二硫化钼在极限强度附近会有明显的局部相变发生,且卸载时相变结构能保持稳定. 本文也测量出单层二硫化钼在温度1-800 K下沿扶手和锯齿方向的线膨胀系数.

局域共振型加筋板的弯曲波带隙与减振特性
Flexural wave band gaps and vibration reduction properties of a locally resonant stiffened plate

朱席席, 肖勇, 温激鸿, 郁殿龙
物理学报. 2016, 65 (17): 176202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.176202
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摘要

通过在加筋板结构上附加周期性排列的“弹簧-质量”共振子单元,构造了一种局域共振型加筋板结构. 针对这种新型结构,基于有限元法和周期结构Bloch定理,建立了其弹性波传播与振动特性理论计算方法;采用该方法深入研究了局域共振型加筋板的弯曲波带隙特性和减振特性. 研究表明,局域共振子能够对加筋板的弯曲波传播特性产生显著影响,一方面使其产生更加低频的带隙,另一方面还能拓宽其中高频带隙. 进一步深入分析了共振子的弹簧刚度、共振子的质量对带隙特性和减振特性的影响,发现了有价值的带隙调控现象、规律和减振特性,可为局域共振型加筋板的带隙特性设计与工程减振应用提供理论指导和有益参考.

凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

基于单极性驻极体薄膜的振动能俘获研究
Vibration energy harvesting with uni-polar electret film

马星晨, 叶瑞丰, 张添乐, 张晓青
物理学报. 2016, 65 (17): 177701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.177701
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摘要

利用电晕充电方法成功制备了单极性交联聚丙烯(IXPP)驻极体膜,并设计、制备了基于该驻极体膜的振动能量采集器. 通过表面电位的测量,研究了IXPP驻极体膜的电荷储存稳定性;通过测量振动能量采集器样品的准静态和动态电荷灵敏度,考察了能量采集器的机电耦合性能,研究了能量采集器在{3-3}模式下对环境振动能的俘获. 结果表明,用-13 kV的电晕电压与-2.0 kV的栅极电压给单面镀铝电极的IXPP样品充电,在实验室环境下放置15天后获得-680 V稳定的表面电位;利用准静态方法测量器件样品的电荷灵敏度,在1.3 kPa压强下,样品的准静态电荷灵敏度M高达1800 pC/N;对于有效面积为13 cm2的能量采集器,当振子质量为42.2 g,在共振频率70 Hz处,样品在最佳负载电阻80 MΩ 附近的输出功率为5 μW.

Rashba自旋-轨道耦合下二维双极化子的基态性质
Properties of the ground state of two-dimensional bipolaron with Rashba spin-orbit coupling

乌云其木格, 辛伟, 额尔敦朝鲁
物理学报. 2016, 65 (17): 177801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.177801
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摘要

在考虑Rashba自旋-轨道耦合效应下,基于Lee-Low-Pines变换,采用Pekar型变分法研究了量子点中双极化子的基态性质. 数值结果表明,在电子-声子强耦合(耦合常数α>6)条件下,量子点中形成稳定双极化子结构的条件(结合能Eb>0)自然满足;双极化子的结合能Eb随量子点受限强度ω0、介质的介电常数比η和电子- 声子耦合强度α 的增大而增加,随Rashba自旋-轨道耦合常数αR的增加而表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;Rashba效应使双极化子的基态能量分裂为E(↑↑),E(↓↓)和E(↑↓)三条能级,分别对应两电子的自旋取向为“向上”、“向下”和“反平行”三种情形;基态能量的绝对值|E|随ηα 的增加而增大,随αR的增加而表现为直线增加和减小两种截然相反的情形;在双极化子的基态能量E 中,电子-声子耦合能所占据的比例明显大于Rashba自旋-轨道耦合能所占比例,但电子-声子耦合与Rashba自旋-轨道耦合间相互渗透、彼此影响显著.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

氮掺杂石墨烯纳米片的制备及其电化学性能 Hot!
Preparation and electrochemical performance of nitrogen-doped graphene nanoplatelets

王桂强, 侯硕, 张娟, 张伟
物理学报. 2016, 65 (17): 178102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178102
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摘要

以石墨片为原料,在氮气气氛下,通过机械针磨法制备了氮掺杂石墨烯纳米片. 扫描电子显微镜和比表面积分析表明机械针磨过程可以有效地将大尺寸石墨片破碎成石墨烯纳米片. 在石墨片的破碎过程中,会引起C-C键的破坏. 因此,在破坏的边缘位置能够产生碳活性点. 这些碳活性点可以与氮反应实现氮元素的掺杂. X射线光电子能谱分析表明碳活性点与氮反应使氮元素掺入石墨烯结构边缘,形成吡咯型氮和吡啶型氮. 电化学阻抗谱分析表明所制备的氮掺杂石墨烯纳米片对I3-还原反应具有较高的电催化活性,循环伏安与恒流充放电测试表明氮掺杂石墨烯纳米片具有较好的电容性能. 较高的比表面积和边缘氮掺杂结构是氮掺杂石墨烯纳米片具有优异电化学性能的主要原因. 因此,氮掺杂石墨烯纳米片可以应用于染料敏化太阳能电池对电极和超级电容器电极.

电子辐照聚乙烯/碳纳米管拉伸变形机理
Tensile deformation mechanism of PE/CNTs irradiated by electrons

马国亮, 杨剑群, 李兴冀, 刘超铭, 侯春风
物理学报. 2016, 65 (17): 178104      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178104
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摘要

利用X射线散射对纯聚合物材料,包括聚乙烯拉伸行为及变形机理的研究与日俱增. 本文选择低密度聚乙烯/多壁碳纳米管(LDPE/2% MWCNTs)复合材料为实验材料,基于同步辐射小角散射的测试平台,对电子辐照的LDPE/MWCNTs复合材料拉伸过程中的X射线小角散射(SAXS)和广角衍射(WAXD)信号进行了原位测试分析,重点分析了低能电子辐照后复合材料拉伸变形过程中微观结构的演化规律. 研究结果表明,低能电子辐照会导致复合材料屈服强度显著提高,而断裂延伸率降低;电子辐照可制约LDPE/MWCNTs复合材料基体变形,从而使应变诱发的片晶破碎过程受到抑制,并且较高注量电子辐照可强烈抑制晶体转动和新晶体形成;在拉伸变形过程中,主要强化机理包括辐照引起MWCNTs强化的增强(界面强化)和辐照对LDPE基体产生交联导致的强化效应.

金属有机框架材料力学、电学及其应变调控特性的第一原理研究
First-principle studies of mechanical, electronic properties and strain engineering of metal-organic framework

王晓媛, 赵丰鹏, 王杰, 闫亚宾
物理学报. 2016, 65 (17): 178105      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178105
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摘要

本研究利用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了典型金属有机框架材料-MOF-5的力学、电学性质及其应变调控特性. 通过对MOF-5材料施加不同类型的应变,系统地研究了MOF-5材料的力学特性,获得了MOF-5的弹性常数、杨氏模量等基本力学参数. 另一方面,通过分析能带结构等特征得到了MOF-5的本征电学特性,计算得到的MOF-5 的禁带带宽为3.49 eV,属于宽禁带半导体. 对MOF-5电学性质的应变调控特性研究发现,外界应变会显著降低MOF-5的禁带带宽,提高其导电性. 通过进一步分析其电子态密度、共价键键长等的变化,发现外界应变会引起MOF-5有机配体中共价键强度的降低,继而导致材料禁带带宽的减小. 研究从理论上定量揭示了外部应变对MOF-5电学性质的调控行为,为基于MOF-5的气氛传感器优化设计和性能评估等提供了重要的理论依据.

基于溶胶-凝胶和激光熔融法制备掺镱石英玻璃
Investigation on Yb3+-doped silica glass using sol-gel method and laser melting technology

梁婉婷, 候峙云, 周桂耀, 夏长明, 张卫, 韦乐峰, 刘建涛
物理学报. 2016, 65 (17): 178107      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178107
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摘要

掺镱石英基玻璃是研究高功率光纤激光器用增益光纤的核心材料. 本文采用正硅酸乙酯TEOS,AlCl3,YbCl3·6H2O作为前驱体的溶胶-凝胶法制备掺杂石英粉体,利用激光烧结技术制备出高纯镱离子掺杂石英玻璃. 实验测试结果表明:通过控制高温处理时合理的温度制度,可有效地排除干凝胶的水分和有机物,制备出的玻璃样品没有出现析晶现象,并表现出良好的光学特性. 这些实验结果对未来拉制高性能镱离子掺杂光纤,以及研制高功率激光器都具有重要意义.

基于KH550-GO固态电解质中电容耦合作用的双侧栅IZO薄膜晶体管 Hot!
Dual in-plane-gate coupled IZO thin film transistor based on capacitive coupling effect in KH550-GO solid electrolyte

郭立强, 温娟, 程广贵, 袁宁一, 丁建宁
物理学报. 2016, 65 (17): 178501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.178501
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摘要

本文利用旋涂技术在氧化铟锡塑料衬底上,制备了硅烷偶联剂(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)-氧化石墨烯固态电解质;以此固态电解质作为栅介质,进一步研究了双侧栅耦合电场质子/电子杂化氧化铟锌薄膜晶体管的电学特性. 研究发现γ-氨丙基三乙氧基硅烷-氧化石墨烯固态电解质的双电层电容和质子电导率分别高达2.03 μF/cm2和6.99×10-3 S/cm;由于γ-氨丙基三乙氧基硅烷-氧化石墨烯复合固态电解质具有较大的双电层电容和质子电导率,利用其作为栅介质的质子/电子杂化氧化铟锌薄膜晶体管功耗低(其工作电压仅为约2 V),其开关比和场效应迁移率分别为1.23×107和24.72 cm2/(V·s). 由于γ-氨丙基三乙氧基硅烷-氧化石墨烯固态电解质的电容耦合作用,氧化铟锌薄膜晶体管在双侧栅电压刺激下,可有效地调控器件的阈值电压、亚阈值摆幅和场效应迁移率,并可实现“与”门逻辑运算功能.


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