亮点文章
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心肌细胞的机械行为对生命健康起至关重要的作用, 通常认为电信号和化学信号对心肌细胞的行为起调控作用. 近年来发现细胞微环境的物理因素能够调控细胞的增殖、铺展、迁移和分化等行为, 但其对心肌细胞机械行为的调控研究仍然缺乏. 本文制备具有不同杨氏模量的水凝胶以模拟心肌细胞力学微环境, 并通过加载力学刺激来探究细胞外基质中不同配体对心肌细胞的力学调控. 研究表明机械力信号可以通过基质-配体-细胞的信号通路来调控心肌细胞的跳动, 进而引起细胞间的耦合振荡实现心肌细胞的节律控制. 这种力信号调控受细胞微环境的杨氏模量、细胞黏附配体种类和密度、以及力信号的强弱和节律三者共同影响, 这为理解心率失调和心肌梗死后心力衰竭等疾病提供基础.
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近年来, 实验技术和理论计算在实现超快时间尺度的分辨以及对于原子尺度微观细节的解析上都有了突破性进展, 对于水体系的超快微观动力学也带来了更多新的认识. 本文将视角集中于水分子、水团簇以及液态水在不同强度的光激发下产生的电离、解离甚至等离子体化的过程, 总结了人们在前沿工作中获得的有关水体系原子尺度超快动力学的知识. 特别地, 围绕光电离实验探讨了阿秒尺度的电离延迟以及水分子Feshbach共振理论分析; 围绕液态水的解离过程探讨了水合电子产生、空穴的定域化等重要过程, 补足了液态水解离完整过程的微观图像; 围绕水的等离子体化介绍了通过含时密度泛函等方法计算得到的水在强激光脉冲作用下转变为等离子体状态的过程与机制, 总结了在极高电子温度下水的特殊电子结构的相关知识. 这些讨论将给出当前人们看待水的激发态的相对全面的视角.
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极化激元作为光与物质的混合激发可以实现纳米光场的精确调控, 为未来纳米光电器件的小型化和集成化提供了有效的途径. 近年来, 借助散射型扫描近场光学显微镜对多类型极化激元的观测, 多种光学现象背后的物理机制被揭示, 进一步加深了对极化激元物理和相互作用的理解, 也极大地推动了极化激元调控及其应用的研究. 基于此, 本文总结了最新的极化激元近场研究进展. 不同于前期关于二维材料极化激元的综述, 本文不仅涵盖了三维至一维的极化激元材料体系, 还在极化激元纳米光学特性方面增添了各向异性极化激元的最新研究工作, 并且系统总结了极化激元调控的最新进展以及在亚衍射成像和聚焦、纳米结构识别、光调制器和分子检测等方面的相关应用. 最后, 对极化激元未来的研究方向进行了展望.
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最近研究发现, AB(N,O)3型钙钛矿氧氮化物具有优异的介电、铁电、光催化等性能, 在光电子、能源存储和通信等领域展现出广阔的应用前景. 但是, 目前该类型材料的制备工艺耗时较长且产物纯度较低. 本文以氧化物为前驱体、以氨基钠为氮源, 利用六面顶压机设备所提供的高温高压环境成功制备了高纯度的钙钛矿型氧氮化物CeTaN2O块体材料, 并将制备时间缩短至1 h, 实现了快速合成. 并对其晶体结构以及物理性质进行了系统的研究. X射线粉末衍射实验和Rietveld精修结果表明, 所制备的样品属于正交晶系, 空间群为Pnma. X射线吸收谱测试确定了样品的电荷组态以及阴离子组合为Ce3+Ta5+N2O. 磁性和比热测试表明, 样品属于反铁磁物质, 磁相变温度低于2 K. 电学输运性能测试表明, 样品的电阻率呈现出典型的半导体行为, 且符合三维变程跳跃模型.
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偶氮苯分子因存在顺反两种异构体而表现出不同的电输运性质. 为了揭示电极的机械作用对偶氮苯分子的几何结构以及电输运性质的影响, 基于第一性原理计算研究了偶氮苯分子在电极挤压和拉伸作用下的结构变化规律, 并利用非平衡格林函数方法计算了偶氮苯分子结在拉伸和压缩过程中以及分子在不同形状电极之间的电输运性质. 结果表明, 顺式和反式偶氮苯分子在电极作用下都具有较稳定的几何结构. 其中顺式偶氮苯分子在电极拉至超过反式偶氮苯分子结平衡电极距离0.1 nm时仍保持为顺式结构. 而反式偶氮苯分子在电极挤压下虽然发生了弯曲, 但当电极距离压缩至短于顺式偶氮苯分子结0.2 nm时, 中间的C—N—N—C二面角仍然保持反式结构. 在低偏压下, 两电极若为平面电极, 则反式偶氮苯分子的电导高于顺式偶氮苯分子; 若分子连接于两锥形电极尖端, 则顺式偶氮苯分子结的电导更高. 特别值得关注的是两种偶氮苯分子的导电能力随电极距离的变化正好相反, 顺式偶氮苯分子结的电导随电极距离拉伸而增大, 反式偶氮苯分子结的电导则随电极距离的压缩而增大. 偶氮苯分子结的电导在电极距离变化时最大变化幅度可达10倍以上.
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聚合氮被认为是一种极具潜力的新型高能量密度材料, 但是高温高压条件下合成的聚合氮结构往往具有较低热力学稳定性. 限域策略有助于聚合氮高压结构的稳定, 为氮聚合提供了新的调控途径. 本文在氮化硼纳米管中限域分子氮, 利用高压原位拉曼散射光谱表征技术研究不同含氮量限域体系的高压诱导氮聚合及聚合氮结构的卸压稳定性. 研究表明, 在高含氮量的体系中, 限域到氮化硼纳米管内的N2与非限域的N2的拉曼特征振动峰表现出不同的拉曼光谱压力响应行为. 在123 GPa压力下, 利用激光加热诱导氮分子间聚合, 生成cg-N聚合氮结构. 卸压过程中, 未被限域的cg-N在40 GPa左右发生爆炸性分解, 分解产生的能量影响了限域cg-N的稳定性, 使其同样发生分解. 环境压力下限域N2可能以液态形式稳定存在. 在低含氮量限域体系中, 高温高压下限域N2结晶生成了含有N=N双键的晶体结构, 其中的N=N双键有两种长度, 分别接近${\mathrm{N}}_3^- $ 阴离子及${\mathrm{N}}_4^+ $ 团簇中N=N双键的键长. 在卸压过程中这种结构可以稳定至25 GPa.
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为探究稀土钡铜氧化物(REBCO)第二代高温超导带材中掺杂相对离子辐照缺陷演化及超导电性的影响机理, 本文采用能量为1.4 MeV的He+离子对国产化未掺杂和掺杂摩尔分数3.5% BaHfO3(BHO)的EuBa2Cu3O7–δ带材进行三种不同剂量的室温辐照实验并退火. 电学性能测试表明, 随着辐照剂量的增加, 掺杂带材的临界电流密度仍均高于未掺杂带材并且下降程度更小. 透射电镜表征结果证明, 超导层中通过掺杂BHO纳米相引入局域应变改变了辐照He缺陷的迁移行为, 在一定范围内修复了损伤的超导结构, 提高了带材载流能力的辐照耐受性. 同时BHO纳米柱作为强钉扎中心使得掺杂带材临界电流密度的磁场依赖性和温度依赖性受辐照影响更小. 不同于中子或重离子辐照后, 通过退火可以恢复材料一定程度的超导电性, 本文中大剂量He +离子辐照的两种带材经氧气氛退火后, 其电学性能继续恶化. 相比于未掺杂带材, 掺杂带材中BHO产生的局域应变在高温下抑制了辐照He缺陷在三维方向上的尺寸增长, 改变了磁通钉扎特性, 延缓了因氦泡长大而造成的超导层结构无序和非晶化. 本研究为评估REBCO超导带材在辐照环境下的工况服役行为提供了参考依据.
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高效且稳定的钙钛矿/异质结叠层太阳能电池是学术界与工业界共同探索的方向, 目前小面积叠层太阳能电池效率优势已然非常明显, 但在商业化推进过程中, 叠层路线在电池结构设计与界面调控、钙钛矿材料选型与优化、器件尺寸放大以及稳定性等方面仍存在许多挑战. 本文通过收集相关文献资料, 包括实验数据和理论模拟结果, 对钙钛矿/异质结叠层太阳能电池的研究现状进行分析, 认为未来的研究方向可能涉及叠层顶电池的界面调控及组件互联结构设计等关键问题. 因此, 文章重点阐述钙钛矿/异质结叠层太阳能电池各关键材料层的优化选型、钙钛矿带隙优化与离子迁移抑制、层间界面传输调控、底电池连接层优化及组件互联与封装方式优化. 基于现有研究成果对叠层太阳能电池技术进行了总结和探索展望, 旨在为后续叠层太阳能电池结构设计的各关键问题提供方向性解决建议.
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采用静电悬浮实验技术测定了液态Zr60Ni25Al15合金的热物理性质, 并研究了其深过冷快速凝固过程. 实验发现, 液态合金所获得的最大过冷度可达316 K (0.25TL), 其密度和表面张力与温度呈线性关系, 而黏度则随温度呈指数变化. 当过冷度小于259 K时, 凝固过程中发生两次再辉现象, 分别对应着二相(Zr6Al2Ni + Zr5Ni4Al)共晶和三元(Zr6Al2Ni + Zr5Ni4Al + Zr2Ni)共晶的快速生长. 若过冷度超过259 K, 凝固过程只发生一次再辉, 3个化合物相均可从合金熔体中独立形核, 形成三元不规则共晶组织. 理论计算和实验表明, 小过冷时Zr6Al2Ni相优先形核, 而当过冷度足够大时, 三相能够同时形核.
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超导转子磁悬浮装置可制作角速度传感器, 超导转子的高速驱动是实现超导转子磁悬浮装置高精度的基础. 超导转子的热损耗和径向质量偏心会使超导转子在驱动过程中热失超和共振, 所以在超导转子的驱动过程中, 超导球腔中需要保持定量的氦气, 以此传递超导转子的产热和抑制超导转子的共振. 但氦气同时会对超导转子产生阻力, 影响超导转子的驱动过程. 基于此开展了超导转子在氦气中的阻力矩研究, 首先引入范德瓦耳斯方程分析了低温氦气的性质, 提出了一种低温氦气对超导转子阻力矩的研究方法, 并进行实验验证. 然后基于有限元方法分析了超导转子旋转驱动的电磁结构和电磁力矩, 并研究了氦气对超导转子加速过程的影响, 包括临界驱动速度、超导转子的加速时间和氦气对超导转子的摩擦热等. 研究结果提供了一种低温气体对旋转超导体阻力矩的研究方法, 为进一步优化超导转子的驱动过程提供参考.
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