力学研究中"大数据"的启示、应用与挑战

大数据在全世界发展迅猛, 应用成效显著.大数据独特的思维和方法, 为科学研究与探索提供了全新的范式.力学研究中,高时空分辨率、多参数同步观测与高精度、大规模模拟手段的发展,为力学大数据的发展提供了契机,大数据、机器智能方法的应用正呈现快速上升趋势.本文旨在分析大数据思维方法在力学研究中的应用, 及其启示与挑战.首先从大数据资源、大数据科学及大数据技术3个层面分析了大数据的内涵及研究态势,概括了国内外政府及组织机构的大数据发展规划.而后对比分析了力学思维方法与大数据思维方法的特点,指出两者的本质区别在于数据使用方式的不同而带来的范式差异:大数据采用数据驱动模型替代力学中的偏微分方程组以描述问题,在复杂系统的分析、预测中优势显著.回顾了大数据方法在材料性能预测、材料本构建模、湍流建模、结构健康监测及试验力学等方面的最新研究进展,以及动态数据驱动与数字孪生等大数据驱动的建模模拟新范式.总结了大数据在力学研究中应用的3种方式, 即驱动已有模型改进,挖掘复杂隐含的规律, 以及替代已有的理论方法等. 最后,建议以力学研究为主体和牵引, 大数据与力学双驱动,推动大数据与力学交叉形成理论与方法突破、及学科发展新方向.      

铋化物发光玻璃中银表面等离激元对铒离子的发光增强作用

局域表面等离激元可以由自由空间的光直接激发,这也是局域表面等离激元的优点所在。研究铋化物发光玻璃中纳米银颗粒的表面等离激元对铒离子发光的增强效应、进一步的提高铋化物发光玻璃中铒离子的发光性能很有意义。首先,测量了(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃与(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的吸收谱,发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃在约600.0 nm处有一个较弱的宽的银表面等离激元共振吸收峰。同时发现两者都有典型的铒离子的吸收峰,它们的吸收几乎完全一样:在波峰形状、峰值强度和峰值波长等方面都很相近。测量了(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃和(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的激发谱,发现有位于379.0,406.0,451.0,488.0和520.5 nm的5个550.0 nm可见光的可见激发谱峰,和位于379.0,406.5,451.0,488.5,520.5,544.0,651.5和798.0 nm的8个1531.0 nm红外光的红外激发谱峰,容易指认出依次为Er 3+的4I 15/2→4G 11/2,4I 15/2→2H 9/2,4I 15/2→(4F 3/2,4F 5/2),4I 15/2→4F 7/2,4I 15/2→2H 11/2,4I 15/2→4S 3/2,4I 15/2→4F 9/2和4I 15/2→4I 9/2跃迁的吸收峰,通过测量发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃相对于(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的可见和红外激发谱的最大增强依次分别是238%和133%。最后,测量了它们的发光谱,发现有位于534.0,547.5和658.5 nm的三组可见发光峰,容易指认出依次为Er 3+的2H 11/2→4I 15/2,4S 3/2→4I 15/2,4F 9/2→4I 15/2荧光跃迁。还发现红外发光峰位于978.0和1531.0 nm,依次为Er 3+的4I 11/2→4I 15/2和4I 13/2→4I 15/2的荧光跃迁。通过测量发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃相对于(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的可见和红外发光谱的最大增强依次分别是215%和138%。对于银表面等离激元增强铒离子发光的机理,认为主要为纳米银颗粒的局域表面等离激元共振,造成金属纳米结构附近产生的局域电场的强度要远大于入射光的电场强度,从而导致了金属纳米结构对入射光产生强烈的吸收和散射,进而导致了荧光的增强;即局域表面等离子体共振局域场的场增强效应。     

均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。     

基于FS映射求解和DSM信息过滤的计算机辅助概念设计研究

为解决计算机辅助概念设计系统方案生成中经常出现的产品结构匹配性不能满足要求,从而需对设计方案进行人工筛选的问题,因此根据概念设计中功能-结构映射(Function-Structure Mapping)信息和设计结构矩阵(Design Structure Matrix)的内部结构联系,提出一种适合计算机辅助概念设计的问题解决方法.该方法以DSM表达和存储产品的结构匹配设计知识,然后基于FBS(Function-Behavior-Structure)设计过程模型开展概念设计,通过构建功能链以及提取设计中的FS映射信息获得结构链,再利用DSM设计知识对所获得的结构链进行结构匹配性评判,从而实现对计算机辅助概念设计方案的获取与筛选.基于该方法搭建了计算机辅助概念设计软件平台,并结合具体实例验证了所提出方法的有效性与软件系统的实用性.     

碳离子在不同材料叶片的多叶光栅上产生的次级粒子研究

在碳离子放射治疗中，碳离子束与治疗头设备和患者身体相互作用产生的次级粒子可以到达患者体内的许多区域，在产生的次级粒子中以中子和$\gamma $射线的产额为最大。在不影响束流配送功能的情况下，减少碳离子放疗中产生的次级中子和$\gamma $射线对于降低放疗后出现的正常组织并发症及二次肿瘤风险有着非常重要的意义。本文利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟计算了被动式束流配送系统下，400 MeV/u碳离子束照射到由不同材料叶片构成的多叶光栅(MLC)形成典型的10 cm×10 cm方形射野时，在水模体中产生的次级中子和$\gamma $射线所沉积的剂量及空间分布等。模拟结果显示:碳离子束通过MLC形成射野后在水模体中产生的次级中子主要分布在水模体的入射端，次级$\gamma $射线较为均匀的分布在整个水模体内，且较多分布在具有展宽Bragg峰(SOBP)射野在水模体中贯穿时的坪区。对于MLC叶片材料的选择，则需根据实际情况对叶片厚度以及次级粒子当量剂量的要求来确定。本文通过模拟研究不同MLC叶片材料产生次级粒子的情况，为被动式束流配送系统中MLC叶片及其他元件的材料选择提供了科学依据。     

结构不良试题的认识、功能与教学实施

2020年是山东、海南两省进入高考综合改革后的首次高考,数学不分文理科,这对高考数学命题提出了新的要求,数学试题必须在试卷结构和题型上有所创新,以增强测试的选拔功能,达到区分不同水平考生的目的.从2020年全国新高考卷(供山东、海南两省使用)来看,除了增设多选题之外,还在解答题中设置了结构不良试题,这两类题型的出现让人耳目一新,本文拟以新高考卷中的结构不良问题为例谈谈笔者的思考.     

超声提取-石墨炉原子吸收光谱法测定高纯石墨中铅的含量

为解决高纯石墨样品前处理中高温灰化耗时长(4～10 h)的问题,提出了题示方法。取高纯石墨样品0.300 0 g,置于50 mL聚丙烯样品管中,用15 mL 10%(体积分数)王水(体积比为3∶1的盐酸-硝酸混合液)超声提取20 min,提取时会有部分石墨漂浮于液面上,用注射器吸取样品管中部的提取液约3 mL,过0.45μm水系滤膜后收集在样品管中,在灰化温度为900℃、原子化温度为2 000℃等条件下采用石墨炉原子吸收光谱法进行测定。结果表明,超声提取缩短了样品处理时间(仅为20 min)。铅元素的质量浓度在5～50μg·L^-1内与对应的吸光度呈线性关系,检出限(3s/k)为0.11 mg·kg^-1。对同一样品分析7次,测定值的相对标准偏差为4.6%。按照标准加入法进行回收试验,回收率为91.0%～94.0%。     

芘二聚体发夹探针用于细胞DNA单链断裂修复能力的评估

基于芘分子二聚体的荧光特性设计了一种新型的发夹探针,用于评估不同细胞的单链断裂修复(SSBR)能力.首先利用芘荧光分子设计一个茎上有缺口的DNA发夹探针,该探针在Bst DNA聚合酶作用下可以水解,使荧光信号“关闭”.如果探针茎上的缺口被DNA修复酶修复,可以阻止Bst DNA聚合酶对探针的消化作用,从而阻止荧光信号的“关闭”.该设计可以用于评估细胞的SSBR能力,并通过提取细胞的核蛋白考察了不同细胞的SSBR能力.研究结果表明,肿瘤细胞及细胞系不具有原代细胞的SSBR能力.利用SSBR的关键酶进一步探索了肿瘤细胞SSBR能力缺失的原因,证明是由于肿瘤细胞中含有可以抑制SSBR过程的活性物质.此外,该方法能够同时进行500个细胞的SSBR能力检测,并用于抗衰老药物筛选.     

可控液体输运制备取向聚合物薄膜:面向性能增强的发光二极管

提出了一种由锥形纤维阵列引导的定向液体输运的简单策略, 实现了对聚二芳基芴(PODPF)的有序 排列. 通过热退火处理(～240 ℃), PODPF由无定形相转变为β相态, 制备的PODPF薄膜具有一定的取向性 并且结晶尺寸更大. 在去浸润过程中, 锥形纤维阵列能够精确控制三相接触线的后退, 从而使得共轭高分子在产生的定向应力作用下定向排列. 基于此制备了聚合物发光二极管(PLEDs)器件, 与由旋涂膜制备的器件相比具有更高的电流效率(1.53 cd/A)和更稳定的电致发光. 表明利用锥形纤维阵列可以制备高性能的有机发光 二极管.     

基于荧光树状聚合物的高灵敏化学反应型汞离子传感器

以2,4-二氯苯硫酚为单体,通过"一步法"合成了平均分子量为10.910 k D的荧光树状超支化聚苯硫醚(HPPS).通过亲核取代和水解反应对HPPS进行了外围氨基修饰,通过偶氮共价键使HPPS与氨基硫脲小分子相连,制备出了高灵敏度树状聚合物基多位点反应型汞离子传感器.基于汞离子与氨基硫脲脱硫关环反应和超支化聚苯硫醚对光信号的放大传递作用,传感器对汞离子有灵敏的荧光响应信号,线性范围为2.5~100 nmol/L,检出限为0.46 nmol/L.并利用分子模拟计算对反应识别机理进行了讨论.