Tensile properties of microtubules: A study by nonlinear molecular structural mechanics modelling

A nonlinear molecular structural mechanics (MSM) model is proposed in this paper for studying the tensile properties of microtubules (MTs). In the nonlinear MSM models, the interactions between tubulin monomers in MTs are treated as nonlinear axial and torsional springs, whose stiffness coefficients are extracted from all-atom molecular dynamics simulations. The Young's modulus and fracture properties of MTs under tension extracted from the present nonlinear MSM models are found to agree well with the existing simulation and experiment results, which shows the efficiency and accuracy of the proposed nonlinear MSM models. In addition, the nonlinear MSM models are also extended to investigate the tensile properties including Young's modulus and fracture strain of MTs possessing lattice defects. The results obtained from nonlinear MSM models are utilized to develop a predictive equation for quickly predicting the tensile properties of MTs with different lattice defect levels.     

Impact of higher-order effects on dissipative soliton in metamaterials

We study the influence of higher-order effects such as third order dispersion (TOD), fourth order dispersion (FOD), quintic nonlinearity (QN), self steepening (SS) and second order nonlinear dispersion (SOND) on the dynamics of dissipative soliton (DS) in metamaterials. Considering each higher-order effect as a perturbation to the system and following Lagrangian variational method, we demonstrate stable dynamics of DS as a result of the interplay between different higher-order effects. We also perform numerical analysis to confirm the analytical results.     

Computational study of the formation of aluminum-graphene nanocrystallites

The molecular dynamics method is used to study the formation of the Al/graphene nanocomposite in the structural grains of different size under the action of internal stresses. The behavior of graphene sheets inside an individual structural grain as well as in the process of two Al grains containing graphene are joined is investigated. The motion of graphene films, starting from the middle of the aluminum matrix, ends with their location at the crystallite boundaries. Graphene moves in the Al matrix along closely packed planes. In this case, graphene sheets acquire curvature. An intergrowth of graphene sheets is also observed. A contact between two Al-C nanocrystallites through a graphene interlayer is created. The self-diffusion coefficients of atoms and the partial potential energies increased with decreasing nanocrystallite size. The angular distribution of the nearest geometric neighbors and the distribution of distances to the nearest neighbors are determined using the construction of Voronoi polyhedra.     

共轭线性对称性及其对PT-对称量子理论的应用

传统量子系统的哈密顿是自伴算子,哈密顿的自伴性不仅保证系统遵循酉演化和保持概率守恒,而且也保证了它自身具有实的能量本征值,这类系统称为自伴量子系统.然而,确实存在一些物理系统(如PT-对称量子系统),其哈密顿不是自伴的,这类系统称为非自伴量子系统.为了深入研究PT-对称量子系统,并考虑到算子PT的共轭线性性,首先讨论了共轭线性算子的一些性质,包括它们的矩阵表示和谱结构等;其次,分别研究了具有共轭线性对称性和完整共轭线性对称性的线性算子,通过它们的矩阵表示,给出了共轭线性对称性和完整共轭线性对称性的等价刻画;作为应用,得到了关于PT-对称及完整PT-对称算子的一些有趣性质,并通过一些具体例子,说明了完整PT-对称性对张量积运算不具有封闭性,同时说明了完整PT-对称性既不是哈密顿算子在某个正定内积下自伴的充分条件,也不是必要条件.     

表面效应对铁<100>间隙型位错环的影响

在材料辐照损伤过程中,间隙型位错环的形成及动力学行为严重影响材料在辐照条件下的服役行为.在常用的以体心立方铁为基的合金材料中,1/2<111>和<100>是两种主要的位错环,其对辐照损伤的影响一直都是核材料领域研究的热点之一.在之前的研究中,人们对{111}面与单个1/2<111>位错环的相互作用进行了深入研究,发现表面对位错环性质确实有重要的影响.采用分子动力学方法,在原子尺度详细研究了另一个重要的表面铁{100}面对<100>间隙型位错环动力学过程的影响.模拟发现位错环伯格斯矢量与表面法线方向的关系、距表面的深度、位错环之间的相互作用以及温度等,都对位错环与表面的相互作用产生重要影响,其中,表面作用下的伯格斯矢量的演化以及<100>位错环在此过程中的一维运动首次被发现.基于这些模拟结果,就<100>位错环对表面辐照损伤结构的影响进行详细地研究,给出<100>位错环对表面凹凸结构的贡献,这些结果为理解辐照过程中材料表面的演化提供一种可能的解释.     

离子浓度及表面结构对岩石孔隙内水流动特性的影响

酸性环境引发的岩石孔隙表面溶解增加了孔隙内水溶液的盐离子浓度,破坏了孔隙的表面结构.本文采用分子动力学模拟的方法研究了纳米级岩石孔隙内水溶液的流动特性,分析了盐离子浓度和孔隙表面结构对水流速度分布的影响及原因.研究结果表明:纳米级岩石孔隙内的水溶液流动符合泊肃叶流动特性,流速呈"抛物线"分布;随盐离子浓度增加,水溶液内部氢键网络变得更为致密,水黏度随其呈线性增长;水溶液中离子浓度越大,孔隙表面对水流动的阻力越大,最大流速越小,速度分布的"抛物线"曲率半径越大;岩石孔隙表面结构的破坏改变了流动表面的粗糙程度,增加了孔隙表面对H2O分子的吸引力.随表面结构破坏程度的增大,水溶液在近壁区域的密度增大,流速降低;当表面破坏程度达到50%时,水溶液在近壁区域出现了明显的负边界滑移现象.     

基于四波混频过程和线性分束器产生四组份纠缠

多组份纠缠是量子信息处理的重要资源,它的产生通常涉及到许多复杂的线性和非线性过程.本文从理论上提出了一种利用两个独立的四波混频过程和线性分束器产生真正的四组份纠缠的方案,其中,线性分束器的作用是将两个独立的四波混频过程联系起来.首先应用部分转置正定判据研究了强度增益对四组份纠缠的影响,结果表明,在整个增益区域内都存在真正的四组份纠缠,并且随着强度增益的增加,纠缠也在增强.然后研究了线性分束器的透射率对四组份纠缠的影响,发现只要线性分束器的透射率不为0或1,该系统也可以产生真正的四组份纠缠.最后,通过研究该系统可能存在的三组份纠缠和两组份纠缠来揭示该系统的纠缠结构.本文理论结果为实验上利用原子系综四波混频过程产生真正的四组份纠缠提供了可靠的方案.     

FLTD三电极场畸变气体开关寿命特性

针对设计的一种场畸变气体开关,研究中间电极材料分别为不锈钢和黄铜条件下的烧蚀特性,结合开关寿命期间静态与触发特性的变化规律,获得决定开关寿命的关键因素,为三电极场畸变气体开关的性能优化提供理论支撑。研究结果表明,采用不锈钢和黄铜作为中间电极的烧蚀区域以及表面粗糙度均随着放电次数增加而增大,黄铜电极烧蚀较为严重且表面有明显的烧蚀圆斑,不锈钢电极则具有更高的表面粗糙度,阴阳极表面烧蚀存在明显差异,随着放电次数的增加,击穿点向电极边缘区域集中,影响开关的沿面绝缘特性,是导致开关寿命终结的主要原因。     

纳米孔壁面作用对蛋白质过孔影响的粗粒化分子动力学模拟

基于粗粒化分子动力学方法模拟电驱动蛋白质过孔过程,研究纳米孔-水/纳米孔-蛋白质相互作用对电泳迁移率的影响;用操控式分子动力学模拟分析蛋白质在不同相互作用下过孔摩擦系数和摩擦阻力.研究发现：蛋白质黏附纳米孔壁面对其过孔特性影响并不明显,而纳米孔-水相互作用对蛋白质过孔电泳迁移率和摩擦系数影响较大.随纳米孔-水相互作用增强,纳米孔壁面与蛋白质附近水分子运动差异显现,蛋白质过孔摩擦阻力显著增大,过孔摩擦系数随之增大,进而影响蛋白质过孔电泳迁移率.所得结果可为纳米孔材料设计提供理论指导.     

基于简单MOPA结构实现3.08 kW全光纤窄线宽线偏振激光输出

基于简单的主振荡功率放大结构,演示了一种高功率窄线宽线性偏振全光纤激光器,其最大输出功率为3.08 kW,3 dB线宽为0.2 nm。在整个功率缩放过程中,偏振消光比约为94%,光束质量M 2约为1.4。这是国内外首次实现3 kW全保偏光纤激光输出,与基于相位调制的窄线宽激光器相比,该激光器可实现近似的线宽,同时具有受激布里渊散射阈值高、系统结构简单、成本低等特点。