物理学报
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ISSN 1000-3290
CN 11-1958/O4
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谢仕永, 鲁远甫, 张小富, 乐小云, 杨程亮, 王保山, 许祖彦
物理学报. 2016, 65 (18): 184203
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物理学报. 2016, 65 (18): 188801
物理学报  
   物理学报--2016, 65 (18)   发布日期: 2016-09-20
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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

从“纳米原子”到“巨型分子”的软物质研究
Soft matters from “nano-atoms” to “giant molecules”

张文彬, 陈尔强, 王晶, 张维, 王林格, 程正迪
物理学报. 2016, 65 (18): 183601      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.183601
全文: [PDF 1076 KB] 下载:(805)
摘要

本文通过分析软物质科学发展的趋势,回顾了“纳米原子”与“巨型分子”这类新型软物质材料的发展历程,总结了“纳米原子”的结构特点以及“巨型分子”自组装的若干特色,提出将“纳米原子”作为“巨型分子”的基本“结构子”和“功能子”,以实现模块化的精确结构高分子理性设计与精准合成,并进一步实现其可控组装,调节其多级结构(特别是1-100 nm尺度的结构),最终实现其多样的功能化. 这种具有高度刚性构型和固定形状尺寸的大分子有别于传统大分子的柔性链式结构,在组装中也呈现出了与传统大分子截然不同的有趣相态和相结构,是大分子科学的一类新元素,值得进行深入研究.

胶体排空相互作用理论与计算
Theory and calculations of colloidal depletion interaction

马红孺
物理学报. 2016, 65 (18): 184701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.184701
全文: [PDF 682 KB] 下载:(415)
摘要

胶体悬浮液由1 nm到1 μm大小的颗粒悬浮在液体中构成. 胶体颗粒之间具有体积排斥相互作用和其他相互作用,体积排斥导致排空效应. 当大硬球处于小球构成的胶体中时,大球周围有 小球中心不能进入的排空层. 在大的硬球相互接近时,其排空层重合,使小球的自由体积增加,从而熵增加,导致大球之间的等效相互作用,这个相互作用称为排空相互作用. 本文介绍了胶体排空相互作用的概念和图像,简要介绍了 计算硬球排空相互作用的接受比率方法、Wang-Landau方法、密度泛函理论方法等数值方法;以Asakura-Oosawa模型为例,介绍了Derjaguin近似方法. 利用这个近似方法,推导了小硬球胶体中一对硬球、硬球和硬墙之间的排空相互作用,以及一对硬球在细棒胶体和薄盘胶体中的排空相互作用的近似公式.

微观尺度下的水:从准一维、二维受限空间到生物以及材料表面
Interfacial water at microscopic level: from quasi-one-dimensional, two-dimensional confined space, to biomolecules surfaces and material surfaces

方海平
物理学报. 2016, 65 (18): 186101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.186101
全文: [PDF 679 KB] 下载:(469)
摘要

地球上的各种过程,包括物理、化学、环境和生物等,大多数与微观尺度下的界面水息息相关. 界面水有大量悬而未决的基础科学问题,长期以来水都是重要的科学研究对象. 本文通过从一维受限空间、二维表面以及生物大分子和材料表面上的水等角度概述当前的一些研究进展,讨论与界面水相关的一些前沿问题,以及在界面水方面的基础研究和新技术的突破对于解决这些前沿问题的必要性。

软物质主要理论综述
A summary of soft matter theories

吴晨旭, 严大东, 邢向军, 厚美瑛
物理学报. 2016, 65 (18): 186102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.186102
全文: [PDF 470 KB] 下载:(782)
摘要

本文主要讨论了软物质体系的一些主要理论,如弹性理论、相变理论、标度理论、自洽场理论、颗粒物质理论的发展历史和现状,同时讨论了熵在软物质体系中的作用等. 软物质体系中还有一些重要的动力学理论,如黏性问题、扩散问题、介面波的运动等问题均没有在本文中提及,这些领域中也有一些软物质体系重要的理论研究工具和手法.

干活性物质的动力学理论
Hydrodynamic theory of dry active matter

陈雷鸣
物理学报. 2016, 65 (18): 186401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.186401
全文: [PDF 524 KB] 下载:(232)
摘要

活性物质是融合非平衡态统计物理、软物质物理和生命科学的新兴交叉学科,近几年取得了飞速的发展. 本文简短回顾了“干”活性物质的理论研究进展,从统计物理的角度,围绕有序性、有序-无序相变和粒子数涨落这几个问题对极性和非极性系统的连续体理论做了重点介绍,并讨论了理论预测和数值以及实验结果之间的关系.

仿生多尺度超浸润界面材料
Bioinspired multiscale interfacial materials with superwettability

王鹏伟, 刘明杰, 江雷
物理学报. 2016, 65 (18): 186801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.186801
全文: [PDF 2852 KB] 下载:(2940)
摘要

仿生多尺度超浸润界面材料是20世纪90年代末以来迅速发展起来的一类新型功能材料,该研究领域突出的特点是基础研究和应用研究密切结合、仿生理念与材料制备技术密切结合. 近年来,研究人员围绕仿生多尺度超浸润界面材料的构筑与应用中的若干关键科学问题开展了深入研究,取得了一系列有特色、有创新意义的研究成果,开发出了一系列的材料制备新方法和新技术. 本文首先介绍仿生多尺度超浸润界面材料的发展历程和固体表面浸润性的理论基础;然后讨论对自然界中具有特殊浸润性能的功能表面的原理揭示和仿生设计;对仿生多尺度超浸润界面材料的典型应用领域,例如自清洁、集水、防冰、油水分离以及化学反应等进行了总结;最后对仿生多尺度超浸润界面材料的发展前景进行了讨论.

软物质中的理性连续介质力学基础
On the theoretical basis of rational continuum mechanics in softmatter

陈恩惠, 杨锦鸿, 李栋, 赵亚溥
物理学报. 2016, 65 (18): 188103      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188103
全文: [PDF 5312 KB] 下载:(588)
摘要

本文介绍了理性连续介质力学在软物质研究中的意义与特点,简要回顾了软物质的理性连续介质力学背景与发展,重点介绍了关于软物质主要力学模型的本构关系:熵弹性、超弹性本构关系、黏弹性本构关系、多孔弹性介质本构关系、非牛顿流体本构关系,以及近年来这些模型在生物体系如细胞、肌肉、血管、脑组织,非生物体系如移动接触线、复合软材料,以及 3D/4D 打印等体系中的应用. 在此基础上,结合近几年国内外软物质力学研究进展与应用需求,提出了学科关键科学问题和前沿问题,指出了软物质理性连续介质力学在软物质-硬物质界面相互作用力学,发展活性软材料多场耦合的弹性理论模型,加强与其他相关学科的联系等方面的发展方向.

聚合物结晶理论进展
Recent development on the theory of polymer crystallization

严大东, 张兴华
物理学报. 2016, 65 (18): 188201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188201
全文: [PDF 896 KB] 下载:(203)
摘要

本文简要回顾了高分子结晶理论发展的历史. 在介绍传统的Hoffman-Lauritzen理论的基础上,总结了近年来高分子结晶实验特别是X光散射实验方面的最新进展. 介绍了建立在这些实验基础之上的一些新的结晶理论,主要代表工作包括Strobl的中介相模型、Olmsted的spinodal辅助结晶理论、Muthukuamr的分子模拟与成核理论等.

场诱导软物质智能材料研究进展
Research progress of field-inducedd soft smart materials

巫金波, 温维佳
物理学报. 2016, 65 (18): 188301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188301
全文: [PDF 1043 KB] 下载:(425)
摘要

场诱导软物质智能材料是指一类能够响应场作用并引起整个系统的量乃至质的改变的软物质材料. 在场(磁场、电场、温度或者光等)的诱导下,材料内部微结构发生化学或者物理变化,从而导致材料某些宏观性质(机械、光学等)出现较大的变化,以达到某种智能控制的目的. 本文系统介绍了磁流变液、电流变液以及高分子凝胶等几种典型的场诱导软物质智能材料,回顾了该领域近几年的研究及其应用进展,探讨了研究的前沿问题及发展趋势,特别指出了软物质智能材料的研究及应用呈现出的复杂性和跨学科性,需要各个学科的协同发展,才可能取得突破性进展.

生物膜泡形状问题的理论研究
Recent advances of theoretical researches in morphologies of lipid vesicles

杨盼, 涂展春
物理学报. 2016, 65 (18): 188701      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188701
全文: [PDF 519 KB] 下载:(228)
摘要

生命活动中的物质代谢、能量转化、信息传递等过程都与生物膜的形态及功能密切相关. 本文综述了基于Helfrich自发曲率模型的闭合膜泡、开口膜泡的控制方程及其解析解,并提出了经由开口膜泡边界条件证明分裂膜泡颈端条件的可能方案.

驱动马达力学化学耦合机制研究进展
Advances in the mechanism of mechanochemical coupling of kinesin

黎明, 欧阳钟灿, 舒咬根
物理学报. 2016, 65 (18): 188702      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188702
全文: [PDF 697 KB] 下载:(294)
摘要

驱动蛋白是细胞内重要的输运机器,属于平动分子马达. 它有两个主要特征,其一是持续性,马达的两个头部在交替步行时至少有一头保持与微管吸附,因此它能沿微管长距离步进而不脱轨;另一个特征是马达的力学过程和化学过程是紧耦合的,即马达每前进一步消耗一个三磷酸腺苷. 上述两个特征要求两个头部的核苷化学态及其与微管的相互作用需通过某个机构来协调统一,其中的核心问题是力学化学耦合机制,这也是所有化学驱动的分子马达的关键问题. 得益于单分子实验技术和分子动力学模拟技术的发展,驱动马达力学化学耦合机制的研究在最近十年取得了重大突破. 本文重点从运动学、动力学、协同机制和发力机制等方面介绍驱动马达基础研究的进展及面临的问题.

弹性蛋白力学特性的单分子力谱
Mechanical properties of elastomeric proteins studied by single molecule force spectroscopy

周浩天, 高翔, 郑鹏, 秦猛, 曹毅, 王炜
物理学报. 2016, 65 (18): 188703      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188703
全文: [PDF 1349 KB] 下载:(218)
摘要

弹性蛋白是一类有着特殊力学特性的蛋白. 在生物体内它们是承受和传递力的主要媒介;在生物体外,它们更是被广泛地用作高强度的生物材料. 根据其功能不同,弹性蛋白的力学特性也各异. 有些具有比较高的力学强度,有些则具有较大的延展性和弹性. 科学家们很早就采用多种手段来人工合成弹性蛋白用于材料和纳米领域,但对于弹性蛋白的力学特性和序列结构之间的关系还不甚明晰. 本综述介绍通过单分子力谱的实验方法来直接表征单根蛋白质在受力下结构的变化,研究其力学特性. 基于Bell模型,推导出了蛋白质解折所需力与拉伸速率之间的关系,揭示了蛋白质力学强度的动力学特性,当拉伸速率较低时,解折叠力将正比于拉伸速率,对于较大的拉伸速率,解折叠力与拉伸速率成指数关系;探讨了决定蛋白质力学特性的结构因素和调控蛋白质力学特性的实验方法;介绍了单分子力谱测量的实验方法,包括基于光镊、磁镊和原子力显微镜的单分子力谱技术,着重介绍了原子力显微镜单分子力谱,并特别介绍了多聚蛋白技术来提供单分子测量的''指纹谱''和提高测量效率;论述了基于原子力显微镜单分子力谱研究蛋白质力学特性的最新进展,包括提高原子力显微镜的稳定性和力分辨率的方法,与荧光标记法相结合来提高实验效率的技术和高速扫描原子力显微镜;阐述了如何通过单分子力谱实验来理性设计蛋白质材料的力学特性,并对未来的研究热点做了展望.

管腔结构软组织的三维形貌失稳
Three-dimensional morphological wrinkling of cylindrical soft tissues

谢伟华, 尹思凡, 李博, 曹艳平, 冯西桥
物理学报. 2016, 65 (18): 188704      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188704
全文: [PDF 1040 KB] 下载:(172)
摘要

生物软组织生长失稳的研究,有助于理解生物组织各种形貌的形成机制,并为某些疾病的诊断和治疗提供参考. 本文基于连续介质力学方法,利用体生长模型和增量变形理论,分析了圆柱状生物软组织的三维形貌失稳. 结果表明,在圆柱外边界自由时,系统可能出现三种失稳形式-欧拉失稳、轴对称失稳和四方失稳;而当圆柱外边界固定时,系统可以发生轴对称失稳和四方失稳. 通过有限元模拟,给出了在上述两种边界条件下圆柱状生物软组织失稳形貌的相图. 进而采用伪动力学方法,研究了形貌的后屈曲演化特征.

癌细胞体外实验模型及成型技术现状和展望
In vitro experimental models and their molding technology of tumor cell

王高, 王晓晨, 刘婷, 刘如川, 刘雳宇
物理学报. 2016, 65 (18): 188705      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188705
全文: [PDF 1277 KB] 下载:(260)
摘要

传统的癌症研究是通过观察实验小白鼠的活体组织切片了解肿瘤的形成及癌症的各阶段发展情况,相比于活体实验,癌细胞的体外实验因为可以灵活地操控实验变量和实时观测癌细胞生长和发育的特点从而得以快速发展. 但进一步的研究发现,在诸如培养皿二维环境中培养的细胞的行为在很大程度上与其实际所处的三维环境中的细胞行为有着巨大的差异. 因此借助于微加工和微流体技术以及近年来蓬勃发展的生物3D打印技术、飞秒激光直写技术和水凝胶的紫外光固化等技术,越来越多的癌细胞体外三维实验模型得以制造并用于癌症的研究. 但同时,现有的技术也面临着精度与速度的矛盾和模型材料的生物相容性等问题. 本文讨论了二维及三维癌细胞体外侵袭转移实验的模型及制造技术的优缺点,简要介绍了最新的研究进展,分析提出了未来几年三维实验模型成型技术的发展方向,为相关研究提供新的实验思路.

软物质实验方法前沿:单分子操控技术
Frontier of soft matter experimental technique: single molecular manipulation

钱辉, 陈虎, 严洁
物理学报. 2016, 65 (18): 188706      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188706
全文: [PDF 831 KB] 下载:(339)
摘要

传统的分子生物学实验方法基本都是系综的方法,测量的信号来自大量的生物分子的平均响应,这不利于得到生物分子的构象转变与功能的动力学细节. 另外,很多生物大分子如细胞骨架蛋白、分子马达等在行使功能的时候都会受到或者产生力的作用,传统的实验方法也难于研究生物分子的力学响应. 最近20年左右发展起来的单分子操控技术可以实现对单个分子的操控,同时测量单个分子在拉力作用下的力学响应. 最为常用的单分子操控技术主要包括光镊、磁镊和原子力显微镜,不同的技术有不同的特点和适用范围. 本文对几种常用的单分子操纵技术的特点,包括物理原理、可以施加的力的范围与精度、可以测量的分子长度范围与精度等做一个系统的介绍. 另外,单分子操控技术在生物大分子如核糖核酸(DNA),脱氧核糖核酸(RNA)和蛋白质的构象转变,相互作用,以及分子马达的功能机理等方面已经取得的丰富成果也给出概括性的介绍. 本文对生物学家系统的了解单分子操控技术和如何应用该技术解决自己的生物问题提供一个有益的参考.

总论

一种求解Birkhoff动力学函数和Lagrange函数的简化方法
A simplified method of solving Birkhoffian function and Lagrangian

崔金超, 廖翠萃, 赵喆, 刘世兴
物理学报. 2016, 65 (18): 180201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.180201
全文: [PDF 291 KB] 下载:(129)
摘要

研究Birkhoff动力学函数和Lagrange函数的简化求解方法. Santilli第二方法作为Birkhoff动力学函数的经典构造方法,其计算公式中隐含的冗余项长期以来被人们所忽视. 通过具体证明消去这一冗余项,得到“简化的Santilli第二方法”,并由此认识到:通过求解Birkhoff动力学函数来确定Birkhoff方程等同于确定它的辛矩阵. 这种观点为Birkhoff动力学函数的求解提供了新视角. 最后,将简化方法得到的推论应用于Lagrange逆问题,得到求解Lagrange函数的简化方法.

MgB2/B/MgB2约瑟夫森结的制备与直流特性
Preparation and DC characteristics of MgB2/B/MgB2 Josephson junctions

周章渝, 肖寒, 王松, 傅兴华, 闫江
物理学报. 2016, 65 (18): 180301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.180301
全文: [PDF 497 KB] 下载:(106)
摘要

本文采用MgB2薄膜的混合物理化学气相沉积制备技术和金属掩膜版工艺,以B膜为势垒层在单晶Al2O3(0001)基底上制作了纵向三明治结构的MgB2/B/MgB2 约瑟夫森结. 应用标准四引线法对该超导结的R-T曲线和不同温度下的直流I-V曲线进行了测量研究. 实验结果表明,制作的MgB2/B/MgB2约瑟夫森结超导开启温度为31.3 K,4.2 K时临界电流密度为0.52 A/cm2,通过对直流特性I-V曲线的微分拟合,清晰地观测到MgB2的3D带的能隙Δπ为2.13 meV.

囚禁有限unitary费米气体的热力学性质
Thermodynamics of trapped finite unitary Fermi gas

袁都奇
物理学报. 2016, 65 (18): 180302      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.180302
全文: [PDF 337 KB] 下载:(125)
摘要

应用分数不相容统计,研究了三维简谐势阱中有限unitary费米气体在绝对零度和有限温度下的热力学性质,并与势阱中满足热力学极限条件的unitary费米气体进行了比较. 结果表明:绝对零度时有限系统的费米能、粒子平均能量随粒子数的增加而增大,并以满足热力学极限系统的对应物理量为上限,有限系统的费米能、粒子平均能量随势阱边界变化存在极大值. 有限温度条件下给定粒子数时,有限系统的粒子平均能量、粒子平均熵、粒子平均热容量分别存在对应的特征温度,当温度等于物理量对应的特征温度时,有限系统与满足热力学极限系统的同一物理量相等,低于(或高于)物理量对应的特征温度时,有限系统的物理量将大于(或小于)满足热力学极限系统的同一量. 给定温度条件下,有限系统粒子平均能量、粒子平均熵、粒子平均热容量分别存在对应的特征粒子数,当粒子数等于物理量对应的特征粒子数时,有限系统与满足热力学极限系统的同一物理量相等,少于(或多于)物理量对应的特征粒子数时,有限系统的物理量将小于(或大于)满足热力学极限系统的同一量.

忆阻自激振荡系统的隐藏吸引子及其动力学特性
Hidden attractor and its dynamical characteristic in memristive self-oscillating system

包涵, 包伯成, 林毅, 王将, 武花干
物理学报. 2016, 65 (18): 180501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.180501
全文: [PDF 1854 KB] 下载:(494)
摘要

由压控忆阻替换三维自激振荡系统的线性耦合电阻,实现了一种新型的四维忆阻自激振荡系统. 该系统不存在任何平衡点,但可生成周期、准周期、混沌等隐藏吸引子;特别地,当初始条件不同时,系统出现了不同拓扑结构混沌吸引子或准周期极限环与混沌吸引子的共存现象,以及准周期极限环与多种拓扑结构混沌吸引子的多吸引子现象. 理论分析、数值仿真和硬件实验的结果一致,表明了所提出的忆阻自激振荡系统有着十分丰富而复杂的隐藏动力学特性.

非自治分数阶Duffing系统的激变现象
Crises in a non-autonomous fractional-order Duffing system

刘晓君, 洪灵, 江俊
物理学报. 2016, 65 (18): 180502      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.180502
全文: [PDF 1174 KB] 下载:(174)
摘要

对一个非自治分数阶Duffing系统的激变现象进行了研究. 首先介绍了一种研究分数阶非线性系统全局动力学的数值方法,即拓展的广义胞映射方法(EGCM). 该方法是基于分数阶导数的短记忆原理,并结合了广义胞映射方法和改进的预估校正算法,根据胞空间的特点,将胞尺寸作为截断误差的参考值,以此得到了一步映射时间的估算公式. 用EGCM方法分别研究了分数阶Duffing系统随分数阶导数的阶数和外激励强度变化发生的边界激变和内部激变. 并基于此,将激变拓展定义为混沌基本集与周期基本集之间的碰撞,其中混沌基本集包括混沌吸引子,边界上的混沌集合以及吸引域内部的非混沌吸引子的混沌集合. 所得结果进一步说明了EGCM方法对于分析分数阶系统全局动力学的有效性.

熵产最小化理论在传热和热功转换优化中的应用探讨
Discussion on the application of entropy generation minimization to the optimizations of heat transfer and heat-work conversion

程雪涛, 梁新刚
物理学报. 2016, 65 (18): 180503      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.180503
全文: [PDF 372 KB] 下载:(171)
摘要

针对传热和热功转换系统的优化设计,分析了熵产最小化理论的优化方向和适用条件. 熵产直接度量系统可用能或做功能力的损失,因此熵产最小化理论的优化方向为将系统可用能或做功能力的损失降到最低,从而使系统保有最大的做功能力. 然而,在工程应用中,设计目标各有不同. 因此,并非所有设计目标均能与熵产最小化的设计方向一致,这就使得熵产最小化并不总是与优化目标相关联. 针对传热速率、输出功率等可与熵产建立关联的优化目标,讨论了熵产最小化理论的适用条件. 当这些条件不能得到满足时,最小熵产并不一定对应最优性能. 对一维传热过程、换热器等传热系统和以输出功率、热功转换效率、热经济性能等为优化目标的热功转换过程进行了分析,结果验证了理论分析所得的结论.

电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

空心光束尺寸的精确调控
Precise controll of hollow beam size

朱清智, 吴逢铁, 胡润, 冯聪
物理学报. 2016, 65 (18): 184101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.184101
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摘要

提出一种利用环缝精确调控空心光束尺寸的新方法. 首先用环缝和旋转毛玻璃产生非相干准单色的环形光源,再经过薄透镜聚焦后产生空间相干度按第一类零阶贝塞尔函数分布的贝塞尔-谢尔模型光场,最后通过轴棱锥对贝塞尔-谢尔模型光场的线聚焦,产生空心光束. 通过改变环缝大小控制非相干环形光源尺寸,对贝塞尔-谢尔模型光场的空间相干度分布进行调制,从而精确控制空心光束尺寸. 应用广义衍射积分理论以及贝塞尔-谢尔模型描述该光学系统所产生的光场分布. 设计相关实验进行验证,理论分析、数值模拟与实验结果相符合. 该研究成果对不同尺寸粒子的微操控提供有力的手段.

被动遥测矿井CO气体温度及浓度的正演研究
Study on the forward of mashgas CO temperature and concentration by the remote passive measurement

唐远河, 王淑华, 崔进, 徐颖, 梅屹峰, 李存霞
物理学报. 2016, 65 (18): 184201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.184201
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摘要

为减少矿井瓦斯气体爆炸后的二次救援伤亡,我们设计了一套成像干涉光学系统,可以便携实时被动遥感探测瓦斯气体CO的温度和浓度. 该系统根据分子转动谱线测温和气体辐射光强与分子数密度的函数关系测浓度. 本文研究该系统的正演模式,依次对“目标气体的辐射模型、气体的传输模型、滤波函数模型和CCD成像探测器模型”等4种子模型进行研究后,得到正演公式. 根据所给相关参数和MATLAB编程,得到CO气体R11-R16的6条谱线的成像干涉正演图像. 曝光时间300 s时,正演图像最大信噪比为268,CO成像干涉图信号强度的电子计数最大值为1.5×105,大于所选CCD探测器的400个电子计数暗噪声,而小于其满井电荷量1×106. 正演结果表明该光学系统可达探测要求. 该系统探测CO气体的温度和浓度精度分别可达2 K和0.1%.

部分相干条件下的弱散射样品ptychography iterative engine成像
Ptychographic iterative engine with partially coherent illumination for weakly scattering samples

余伟, 田晓琳, 何小亮, 高淑梅, 刘诚, 朱健强
物理学报. 2016, 65 (18): 184202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.184202
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摘要

分析了照明相干性对ptychography iterative engine(PIE)成像技术的影响机理,指出利用零级衍射光范围内的衍射斑进行图像重建,可以避免由于部分相干性所引入的矛盾因素,并大幅度提高再现像质量,但再现像的对比度会明显降低. 而采用散射斑强度的高次方进行图像重建时,相位的倍增作用可使相干性不足所引起的对比度降低大部分得以弥补,从而大大降低PIE技术对光源相干性的依赖并拓展其可应用范围.

CsB3O5晶体高效三倍频产生28.3W 355nm激光 Hot!
28.3 W 355 nm laser generated by efficient third-harmonic in CsB3O5 crystal

谢仕永, 鲁远甫, 张小富, 乐小云, 杨程亮, 王保山, 许祖彦
物理学报. 2016, 65 (18): 184203      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.184203
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摘要

利用CsB3O5(CBO)晶体对Nd:YAG声光调Q准连续1064 nm激光的高效三倍频效应获得高功率355 nm激光输出. 1064 nm激光采用大功率脉冲式半导体激光(LD)列阵侧面抽运Nd:YAG晶体的主振荡-功率放大(MOPA)系统实现210 W的调Q准连续输出,激光以1 kHz脉冲串方试运转,每个脉冲串包含5个调Q脉冲,单脉冲宽度为40 ns. 经I类LiB3O5(LBO)晶体倍频产生98 W 532 nm绿光. 通过30 mm长的II类CBO晶体对1064 nm与532 nm光和频获得28.3 W的355 nm紫外光,相应的三倍频转换效率为13.5%,比相同条件下II类LBO晶体高28.6%. 研究了CBO三倍频产生355 nm光的温度敏感特性,得到其温度带宽为25 ℃,远大于LBO 晶体的4 ℃. 实验证明,CBO晶体在三倍频产生355 nm的转换效率和温度不敏感性方面均优于LBO晶体.

局部固体填充的水中复杂目标声散射计算与实验
Acoustic scattering of a complex target with partially solid-filling immersed in water: numerical simulation and experiment

张培珍, 李秀坤, 范军, 王斌
物理学报. 2016, 65 (18): 184301      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.184301
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摘要
利用二维有限元方法研究水中局部填充的带球冠柱体目标声散射特性,所采用的数值方法可高效地实现精细化、宽带、复杂轴对称模型散射声场计算. 根据数值结果解释壳体、填充物以及入射方位对目标散射远场的影响,确定复杂目标散射研究中所必须考虑的重要物理和几何构成. 完成水中悬浮目标自由场声散射实验,收发合置条件下将目标旋转360°接收并测量不同传播路径回波到达时刻得到距离-角度伪彩色图像. 以表面环绕波和“回廊波”产生理论为基础,解释内真空和局部填充模型正横入射时目标散射信号中几何回波和各种弹性波成分产生的机理. 由于固体填充与弹性壳的耦合作用,频率-角度谱的正横方向两侧呈现外八字“碗”形共振曲线. 通过对比,理论计算和实验得到的散射函数关键频谱峰值特性符合较好.
气体、等离子体和放电物理

反场构型等离子体中Grad-Shafranov方程的数值解
Numerical solutions of Grad-Shafranov equation in a field-reversed configuration

赵小明, 孙奇志, 方东凡, 贾月松, 刘正芬, 孙承纬
物理学报. 2016, 65 (18): 185201      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.185201
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摘要

基于反场构型(field-reversed configuration)渐近理论,编写了反场构型等离子体中二维Grad-Shafranov方程的数值模拟代码,研究了不同拉长形状的反场构型剖面. 通过模拟,得到了磁面坐标系中反场构型等离子体压强及梯度分布,同时求解了大拉长比、不同分界面(separatrix)类型的磁通量分布. 研究结果表明,等离子体压强梯度随着磁通量呈线性增长,在分界面处发生突变;分界面处的等离子体压强越高,分界面内部的压强会更高,即具有更高的等离子体β值,反映了反场构型较好的约束效果.

筒形高功率脉冲磁控溅射源的开发与放电特性
Cylindric high power impulse magnetron sputtering source and its discharge characteristics

肖舒, 吴忠振, 崔岁寒, 刘亮亮, 郑博聪, 林海, 傅劲裕, 田修波, 潘锋, 朱剑豪
物理学报. 2016, 65 (18): 185202      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.185202
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摘要

高功率脉冲磁控溅射以较高的溅射材料离化率及其所带来的高致密度、高结合力和高综合性能成为物理气相沉积领域的新宠,然而其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率不一等缺点阻碍了其在工业界的推广和应用. 针对高功率脉冲磁控溅射技术固有的缺陷,我们从靶源出发,设计了一种筒形溅射源,将放电限制在筒形溅射源内部,放电不稳定喷溅出的“金属液滴”和溅射出来但并未离化的溅射材料无法被负电位的引出栅引出而影响薄膜沉积,只有离化的溅射材料可以引出并沉积形成薄膜,而电子将在筒形溅射源内部反复振荡,和未离化的溅射原子剧烈碰撞,带动进一步离化. 本文通过磁场和放电的模拟发现筒形溅射源内部电子、离子呈花瓣状分布,8条磁铁均匀分布的结构具有最优的靶材利用率. 据此开发的筒形溅射源可在高功率脉冲磁控溅射条件下正常放电,其放电靶电流随靶电压变化呈现出高功率脉冲磁控溅射典型的伏安特性特征,复合电流施加后,有明显的预离化作用. 溅射“跑道”面积占靶材表面的60%以上,筒形溅射源中心的离子电流波形与靶电流波形类似,但相对靶电流延迟约40 μs,数值约为靶电流的1/10. 结果证明,筒形溅射源可有效地应用到高功率脉冲磁控溅射放电中,并成为促进其推广和应用的一种新路径.

物理学交叉学科及有关科学技术领域

石墨烯/聚乙烯醇/聚偏氟乙烯基纳米复合薄膜的介电性能
Dielectric properties of graphene/poly(vinyl alcohol)/poly (vinylidene fluoride) nanocomposites films

冯奇, 李梦凯, 唐海通, 王晓东, 高忠民, 孟繁玲
物理学报. 2016, 65 (18): 188101      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188101
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摘要

石墨烯由于具有良好的力学性能、高的电子传递能力以及相对较低的生产成本等优势而受到广泛关注,但现在多将其直接分散在聚合物中提高聚合物的介电性能. 本工作中,制备出了还原氧化石墨烯/PVA/聚偏氟乙烯(PVDF)的三相纳米复合薄膜. 首先把聚乙烯醇(PVA)和氧化石墨烯(GO)分散于二甲基亚砜(DMSO)中,得到PVA非共价键修饰的GO,再将PVDF溶于该混合液体中,通过溶液浇注以及低温加热过程得到三相纳米复合薄膜. 实验结果表明,在120 ℃ 下,GO可以被热还原成还原氧化石墨烯(RGO),且可以促进PVDF 的α相向β相转变. PVA修饰RGO比单纯RGO在PVDF基体中分散性要好,且使PVDF的球晶尺寸大大降低,复合薄膜的介电性能大幅提高. RGO/PVA/PVDF复合膜的渗流阈值fvol*约为8.45 vol.%,在102 Hz时RGO/PVA/PVDF复合膜的介电常数大约是纯PVDF的238倍. 本工作为制备介电性能高、生产成本低、操作简单的聚合物纳米复合材料提供了一种好的方法.

相场法模拟Fe-C合金定向凝固的液相通道
Simulation of liquid channel of Fe-C alloy directional solidification by phase-field method

康永生, 赵宇宏, 侯华, 靳玉春, 陈利文
物理学报. 2016, 65 (18): 188102      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188102
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摘要

在定向凝固的研究中,主要是通过改变推进速度或温度梯度以调节凝固组织,提升合金铸件性能. 对于不同定向凝固条件下组织的形成及相关性质的研究成为了热点,本文主要研究在特定定向凝固条件下Fe-C合金枝晶尖端分裂后形成的液相通道及推进速度对于液相通道的影响. 研究发现:在系统各向异性与材料各向异性的综合作用下,形成了定向凝固液相通道;且随推进速度的增大,液相通道内溶质浓度升高,长度增大,直径基本维持不变. 通过液相通道相关尺度以及溶质富集的模拟结果分析其造成的晶内偏析的程度,同时指出可通过适当降低推进速度来减小液相通道溶质偏析的程度.

超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响 Hot!
Enhanced laser ranging with superconducting nanowire single photon detector for low dark count rate

张森, 陶旭, 冯志军, 吴淦华, 薛莉, 闫夏超, 张蜡宝, 贾小氢, 王治中, 孙俊, 董光焰, 康琳, 吴培亨
物理学报. 2016, 65 (18): 188501      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188501
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摘要

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器,具有灵敏度高、时间精度高、探测速度快和暗计数低等特点,在激光测距等领域具有重要应用前景. 本文将SNSPD应用到1064 nm 波段激光测距系统,研究了其暗计数和信噪比对激光测距的影响. 基于实验获得的回波数据,结合激光雷达理论,研究了系统信噪比与脉冲积累次数的关系. 分析表明,SNSPD暗计数是影响测距距离的关键因素之一. 结合仿真,进一步探究了基于SNSPD的激光测距系统信噪比与回波率、暗计数的关系,暗计数较大时,信噪比随脉冲积累次数增加出现波动现象,回波信号湮没. 由于SNSPD暗计数极低,本基于SNSPD的测距系统最远测距可达280 km,较同样条件下基于APD探测器的测距系统最远探测距离远40 km,在军事侦查、探测和制导等领域具有重要应用前景.

平面型钙钛矿太阳能电池温度相关的光伏性能时间响应特性 Hot!
Temperature-dependent time response characteristic of photovoltaic performance in planar heterojunction perovskite solar cell

曹汝楠, 徐飞, 朱佳斌, 葛升, 王文贞, 徐海涛, 徐闰, 吴杨琳, 马忠权, 洪峰, 蒋最敏
物理学报. 2016, 65 (18): 188801      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.188801
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摘要

本文研究了钙钛矿太阳能电池不同工作温度下光伏性能的时间响应特性. 结果表明,钙钛矿太阳能电池光伏性能需要经过一段时间光照后才能达到稳定. 且随着工作温度降低,电池光伏性能达到稳定所需的响应时间也越长. 当电池达到稳定后,电池开路电压会随着温度降低而增大. 在此之前,开路电压会在低温下发生显著的衰减. 这意味着钙钛矿太阳能电池的时间响应主要来源于其内部内建电场的缓慢变化. 通过测量光照前后电池外量子效率发现,光生载流子的分离和收集效率会在光照后得到明显改善. 这也暗示了内建电场在光照前后发生了改变. 钙钛矿材料中的离子迁移被认为是引起内建电场发生变化的原因. 这有助于更好地理解钙钛矿太阳能电池中载流子输运机制.

地球物理学、天文学和天体物理学

电磁监测试验卫星朗缪尔探针电离层探测技术
The ionosphere measurement technology of Langmuir probe on China seismo-electromagnetic satellite

刘超, 关燚炳, 张爱兵, 郑香脂, 孙越强
物理学报. 2016, 65 (18): 189401      http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.189401
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摘要

本文依据电磁监测试验卫星(CSES)的任务要求,自主设计研制了卫星载荷朗缪尔探针仪器,以实现对空间等离子体电子密度、电子温度等参数的测量,为探索大地震短临预测与预警新方法提供空间观测数据. 该朗缪尔探针的传感器采用优化的球形传感器,上半球是收集极,下半球是保护极,消除了其结构与支撑杆连接处的终端效应. 传感器表面采用了TiN镀层,保证了其耐原子氧剥蚀能力和均匀的表面功函数. 通过在意大利国家天体物理研究院行星际物理研究所(INAF-IAPS)的地面等离子体环境下的测试,验证了本文设计的朗缪尔探针载荷的可行性和正确性,能够实现电磁监测试验卫星的任务要求.


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