不断发展中的各种工程材料

 人类社会发展的历史证明,材料是人类生存和发展、征服和改造自然的物质基础,也是人类社会现代文明的重要支柱.     

仿生伪装与生物驻极体

本文介绍了人类受到自然界的物质结构的启示,仿照生物的伪装方法、理念来改变人类的设计思路;以及直接利用生物材料或仿制出人工材料使之具有与生物材料有相同的功能．介绍了“仿生伪装”和生物驻极体（具有驻极态特性的生物材料）用于伪装材料方面的实践和发展．     

人工智能超材料

人工智能的发展已经给人类社会的发展带来了极大变革,各种基于人工智能的新应用层出不穷。电磁和光学超材料对电磁波有强大的调控能力,且具有灵活的设计特性,尤其是可编程超材料的实时数字化调控能力,有利于基于人工智能技术的电磁超材料的设计和智能化应用。对超材料的智能化设计、智能化结构和智能化系统进行了阐述,对于人工智能技术与电磁和光学超材料的结合,总结介绍了结构优化、架构设计和系统应用的主要进展和成果,并展望了智能超材料的未来发展方向。     

仿生伪装与生物驻极体（续）

本文介绍了人类受到自然界的物质结构的启示,仿照生物的伪装方法、理念来改变人类的设计思路 以及直接利用生物材料或仿制出人工材料使之具有与生物材料有相同的功能.介绍了＂仿生伪装＂和生物驻极体（具有驻极态特性的生物材料）用于伪装材料方面的实践和发展.     

仿生学在力学中的应用

仿生学简介 什么是仿生学我们羡慕鸟儿,更要用我们的智慧向鸟儿学习“飞”;我们羡慕鱼儿,更要研究它的“游”……从大自然的杰作中得到启示、寻找真理,自古有之,这也正是人类的聪明之处。自然界生物的神奇来自于亿万年的选择进化、优胜劣汰,例如尽管贝壳的基本组成单元很平常,只是碳酸钙和磷酸钙等最常见的材料,但因为有了适应其环境及功能需要的结构组装,所表现出的材料性能是传统人工合成材料无法比拟的。人类很早就注意到了这些现象并对生物系统的结构和性质作系统的研究,从而为工程技术提供新的设计思想及工作原理,这就是仿生学。     

超导材料的发展与研究现状

新型超导材料一直是人类追求的目标。该文主要从超导材料的探索与发现、制备技术、基础研究面临的挑战等几个方面来探讨超导材料的发展与研究现状。     

奇妙的超导体

 在本世纪,由于低温技术和材料技术的发展,人类以自己的智慧和劳动踏入了从未进入的超导态世界。无论是最初发现的低温超导体,还是后来竟相研制的高温超导材料,只要处于超导态,它们就具有十分奇妙的性质--完会导电性和完全抗磁性。     

支撑材料基因工程的高通量材料集成计算平台

总结材料计算和数据管理面临的挑战,阐述高通量材料集成计算的内涵,介绍我们在国内率先研制出的高通量材料集成计算平台和软件框架MatCloud.平台支持与不同高性能计算集群的动态绑定,基于图形化界面的第一性原理计算流程设计、持久化、解析和执行;大批量计算作业的生成、提交、运行监控,及容错和纠错的自动流程实现;支持数据的提取、规范化加工、及自动存储等.MatCloud形成了一个高通量材料集成计算软件框架,支持个性化插件的快速研发.     

低浓度吡虫啉的超材料太赫兹光谱检测研究

农产品质量安全是社会广泛关注的重大民生问题。近年来,农产品生产过程中农药的广泛使用和滥用会导致农药残留,对人类健康和环境造成潜在危害。吡虫啉是一种硝基亚甲基类新烟碱内吸杀虫剂,因其具有广谱、高效和低毒的特性已广泛用于农业生产中,但其过量残留也给人类的健康带来了威胁。首先对超材料结构的透射谱进行了分析,对共振频率的形成原因进行了解释;其次分别在超材料结构和二氧化硅基底上涂覆了500 mg·L-1的吡虫啉溶液并进行了测量,排除了二氧化硅基底的影响;接着制备了3个梯度15个浓度的吡虫啉溶液,分别为：100~500 mg·L-1（梯度为100 mg·L-1）、10~50 mg·L-1（梯度为10 mg·L-1）、1~5 mg·L-1（梯度为1 mg·L-1）;测量了喷涂在超材料结构上的吡虫啉薄膜的太赫兹时域光谱,根据太赫兹透射谱峰值频率红移量的不同实现了对不同溶液浓度的鉴别,建立了峰值频率红移量和吡虫啉浓度的函数关系。实验结果表明,借助超材料的调制特性,太赫兹光谱法可以检测到浓度低至1 mg·L-1的吡虫啉薄膜。将实验测得的不同浓度吡虫啉溶液的折射率,代入CST软件进行仿真验证,结果说明不同浓度的吡虫啉的透射曲线具有不同程度的红移,且红移量随着浓度的增大而增加。实验和仿真结果表明,超材料对太赫兹光谱透射峰值频率的调制可用于低浓度吡虫啉含量的太赫兹时域光谱检测。此研究为食品基质中农药残留的检测提供了一种新方法。     

第三代稀土永磁材料——钕、铁、硼

 永久磁体是一种不需要消耗电能就能够持续地提供磁场的物体.永久磁体是由永磁材料(又称硬磁材料或恒磁材料)做成的.人类生产和利用永磁材料已有几十年的历史.随着科学技术的不断发展,工业生产对永磁材料的需求量迅速地增长,现在永磁材料已成为机电工业的基础材料之一.据不完全统计,全世界永磁材料的总年产量,1964年为1.5万吨,1974年为5.8万吨,1984年为17.5万吨,估计1994年将达到30万吨.     

室温钠离子电池材料及器件研究进展

在众多电化学储能技术中,室温钠离子电池除具有能量密度高、循环寿命长的特点外,还具有其他电池体系所不具有的资源丰富和成本低廉的优势,是一种较理想的规模储能电池体系.中国科学院物理研究所自2011年以来致力于低成本、安全环保的钠离子电池技术的研发,在正、负极材料和电解质材料开发中取得了多项原创性的研究成果,并研制出Ah级钠离子软包电池.例如,首次发现Cu~(2+)/Cu~(3+)氧化还原电对高度可逆并设计了Na-Cu-Fe-Mn-O基低成本层状氧化物正极材料;首次通过简单的一步碳化法制备出性价比高的无烟煤基负极材料;首次将一种新型的钠盐NaFSI应用于碳酸酯非水电解质以大幅度提升电极材料的性能等.本文综述了物理所在钠离子电池材料及器件研究中所取得的重要进展和突破,期待经过进一步不懈地努力为实现钠离子电池的产业化做出重要贡献.     

PTFE/Al反应材料的力学性能研究

 反应材料是一种由冲击引发的新型含能材料,对其力学性能的研究是其广泛应用的一个重要前提。在室温下,利用万能试验机和改进的摆锤冲击试验机对聚四氟乙烯/铝（PTFE/Al）系列反应材料的拉伸和冲击性能进行了实验研究。随着Al含量的增加,反应材料的密度和燃烧热升高,拉伸强度呈先升高后降低的趋势,在Al含量为6%左右时达到最大值36.1 MPa,与计算结果较符合。推测反应材料的损伤过程为变形、开裂和反应3步。Al含量的增加导致反应材料试样的冲击韧性先升高后降低,在Al含量为40%左右时达到最大值72.06 J/cm²。随着Al含量的增加,材料的反应难度增加,反应自持性降低。     

半导体材料基因组计划:硅基发光材料

材料基因组计划旨在通过实验、计算和理论的有机整合协同创新, 实现新材料研发周期减半, 成本降低到现有的几分之一, 以期加速在清洁能源、国家安全、人类福利等方面的进步. 半导体材料的研究和发展奠定了半导体科学技术在当前人类社会发展中至关重要的地位, 半导体材料基因组计划的实施将促使半导体科学技术的研究和应用进入一个崭新的时代. 本文基于基因遗传算法理论设计硅基发光材料的研究工作探讨了半导体材料基因组计划的实施构想. 首先简单介绍了硅基发光的应用前景和开发硅基发光材料所面临的挑战. 随后介绍了基于模拟达尔文物种进化的基因遗传算法和高精度高性能的能带结构计算方法, 设定高效带边发光这一目标, 逆向设计拥有直接带隙发光的二维Si/Ge超晶格和一维Si/Ge核-多壳纳米线, 为实施半导体材料基因组计划提供了一个范例, 显示了材料基因组计划的强大力量和巨大价值. 最后对半导体材料基因组计划的实施提了几点建议.     

超导材料、理论新进展及应用前景

 自从1911年卡末林·昂尼斯首次发现超导电性以来,已经历了四分之三世纪以上的岁月了.然而,人类对超导电性的研究和应用仍然没有达到完美的境地.尽管如此,超导电性学科和技术仍已步入它的青壮年时期,并且人们认识到:一旦室温超导材料被发现,则人类现代技术文明的一切都将随之发生巨大变革.一、高温氧化物新超导材料的发现直到1985年,人类发现的超导材料的超导转变温度T_c都较低,只能在液态氦温度下工作,这个条件限制了超导技术的应用.想方设法提高T_c是几十年来人们努力寻求的目标,其中一个方向就是研究氧化物超导体.这始于几十年前,从当时的尺度来看,已获得T_c值不算很低的研究结果,因而一直受到关注.     

用超材料制造新型光学设备

美国杜克大学的工程师近日利用超材料制造出可利用红外光形成全息图的新型光学设备。研究人员表示,利用复杂多样的超材料,将极大地提高人类控制光的能力,改变光学的面貌。     

新颖材料器件为全息显示带来的新机遇

三维显示是人类获取身临其境视觉信息的有效途径,其中全息技术能够提供人眼所需的全部深度信息,被认为是理想的三维显示方式.然而受目前显示器件的限制,如可刷新调制器件的时间-空间(时空)带宽积受限、海量数据云处理速率限制、图像质量不高的问题等,全息显示技术的发展进入了瓶颈期.为了提高显示质量、扩大时空带宽积、提升系统性能,需要发展崭新的全息显示器件,从根本上解决目前遇到的问题.超颖材料、超构表面以及二维材料等诸多新颖材料的涌现为全息显示带来新的机遇.超颖材料(表面)通过特殊设计,利用远小于波长的超构单元实现对波前各向同性或各向异性的振幅与相位的特异调控,进而将全息信息映射到超颖材料(表面)全息显示器件上,通过调控光波实现各种显示.发展可刷新的超构(表面、二维)材料并应用于动态全息显示中是未来的重要方向.虽然现有的新颖器件还面临着各种问题,但它们可为全息显示的发展提供潜在的可行性和新的视角与发展动力.     

含左手材料光纤的表面模特性

在弱导条件下,利用Maxwell方程组,对纤芯是左手材料,包层是右手材料的光纤表面模进行了研究,得到了TE (TM)、 EH和 HE表面模的色散方程,.根据色散方程,画出了相应表面模和含左手材料光纤导模的色散曲线.比较这些色散曲线,发现了含左手材料光纤表面模一些新的特性.     

超导体的军用前景

 从目前的研究情况来看,超导技术的应用基本上可分为两类:一是用超导材料制作磁性极强的超导磁铁,用于磁约束核聚变研究和制造大容量储能装置、高能加速器、超导发电机等,以解决人类未来的能源问题;二是用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件,用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备。 军事家们历来就是科学技术新成果的酷爱者,科学技术发展的最新成果往往首先被应用于军事。     

TE波辐射下超材料椭圆柱电磁斗篷特性分析

 利用有限元方法分析了TE波辐射下,超材料椭圆柱斗篷的电磁特性。研究发现：当超材料的介电常数、磁导率和电导率偏离理论值0.5%时,斗篷外的电场发生了明显变化;当材料的介电常数、磁导率和电导率为理论值时,不论在斗篷内放置什么特性的材料,也不论斗篷内壁上的边界条件如何,超材料椭圆柱斗篷都具有隐形作用。     

谈谈“左手材料”

 “左手材料”(left-handedmaterials)是指在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料。电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同,比如光在左手材料中的行进方向与能量传播的方向相反、完全相反的折射定律等等,“左手材料”颠覆了一般材料中所普遍遵循的“右手规律”。早在1968年,俄罗斯理论物理学家维西拉格(Veselago)就对电磁波在介电常数ε和磁导率μ同时为负数的介质中的传播及相关特性作过理论上的研究,但由于当时自然界中并没有发现这类介质材料,所以他的研究结果一直没有得到实验上的直接验证,人们对左手材料的兴趣也因此降温。