基于上转换纳米粒子的低损伤神经界面技术

Optogenetics is a neuromodulation technology that combines light control technology with genetic technology, thus allowing the selective activation and inhibition of the electrical activity in specific types of neurons with millisecond time resolution. Over the past several years, optogenetics has become a powerful tool for understanding the organization and functions of neural circuits, and it holds great promise to treat neurological disorders. To date, the excitation wavelengths of commonly employed opsins in optogenetics are located in the visible spectrum. This poses a serious limitation for neural activity regulation because the intense absorption and scattering of visible light by tissues lead to the loss of excitation light energy and also cause tissue heating. To regulate the activity of neurons in deep brain regions, it is necessary to implant optical fibers or optoelectronic devices into target brain areas, which however can induce severe tissue damage. Non- or minimally-invasive remote control technologies that can manipulate neural activity have been highly desirable in neuroscience research. Upconversion nanoparticles (UCNPs) can emit light with a short wavelength and high frequency upon excitation by light with a long wavelength and low frequency. Therefore, UCNPs can convert low-frequency near-infrared (NIR) light into high-frequency visible light for the activation of light-sensitive proteins, thus indirectly realizing the NIR optogenetic system. Because NIR light has a large tissue penetration depth, UCNP-mediated optogenetics has attracted significant interest for deep-tissue neuromodulation. However, in UCNP-mediated in vivo optogenetic experiments, as the up-conversion efficiency of UCNPs is low, it is generally necessary to apply high-power NIR light to obtain up-converted fluorescence with energy high enough to activate a photosensitive protein. High-power NIR light can cause thermal damage to tissues, which seriously restricts the applications of UCNPs in optogenetic technology. Therefore, the exploration of strategies to increase the up-conversion efficiency, fluorescence intensity, and biocompatibility of UCNPs is of great significance to their wide applications in optogenetic systems. This review summarizes recent developments and challenges in UCNP-mediated optogenetics for deep-brain neuromodulation. We firstly discuss the correspondence between the parameters of UCNPs and employed opsins in optogenetic experiments, which mainly include excitation wavelengths, emission wavelengths, and luminescent lifetimes. Thereafter, we introduce the methods to enhance the conversion efficiency of UCNPs, including optimizing the structure of UCNPs and modifying the organic dyes in UCNPs. In addition, we also discuss the future opportunities in combining UCNP-mediated optogenetics with flexible microelectrode technology for the long-term detection and regulation of neural activity in the case of minimal injury.     

超高分子量聚乙烯烧结制品的链缠结调控及其对性能影响

利用新的单中心Ziegler-Natta(Z-N)催化剂,通过干预分子链的生长与聚集行为,可获得低缠结的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)初生树脂.本研究利用这类低缠结UHMWPE,通过设置不同的烧结温度(Ts)来改变熔体缠结状态,并探讨了链缠结程度对烧结制品结构与性能的影响.实验结果表明TS=220℃下,UHMWPE样品发生显著的复缠,造成高缠结度;而Ts=170℃下,初始低缠结状态能够得以充分保留,从而获得了缠结度具有明显差别的不同样品.示差扫描量热法(DSC)测试表明,在Ts=170℃下,低缠结度有利于在随后等温及冷却结晶过程中生成高熔点(最高达141℃)晶体与高的结晶度(最高达65%).力学测试表明低缠结度制品的综合力学性能显著提升,其中屈服强度提高72%,拉伸断裂强度提升139%,弹性模量提升162%以及断裂伸长率提升36%,实现了同时增强增韧.这就提供了一种从调节链缠结温度实现UHMWPE烧结制品高性能化的新思路.     

金属串配合物[MoMoCo(npo)4(NCS)2]的配位结构及其与电场的关系

应用密度泛函理论B3LYP方法研究了具有分子导线潜在应用的金属串配合物[MoMoCo(npo)4(NCS)2](npo=1,8-萘基-2-酮)的配位结构及其受电场作用的影响。配位方式记为(n,m),其中n、m分别表示4个赤道配体npo^-的O与Co和Mo配位的个数:n=0,1,2,3,4;m=4,3,2,1,0。结果表明:(1)零电场下,基态能量高低为(0,4)>(4,0)>(3,1)≈(1,3)>(2,2),5种配位方式均可稳定存在且互为竞争态。Z方向偶极矩μ(Z)值大小为(0,4)(+)>(1,3)(+)>(2,2)(-)>(3,1)(-)>(4,0)(-)(+、-表示μ(Z)值的正负,与Z方向相同即为正,相反即为负),4个npo^-趋向越一致能量越高极性越大。(2)Mo-Mo具有四重键,键长随μ(Z)值减小而减小,而Mo-Co键长则相反。随μ(Z)值减小前线轨道中πNCS(1)轨道能降低,π'NCS(2)轨道能升高。(3)Z方向电场作用下,除(0,4)外所有配位方式的Mo1-N8键显著增长,结构不稳定。(4)电场作用下前线轨道能级交错,μ(Z)为正值的(0,4)、(1,3)的能隙E_LUMO-HOMO在-Z方向电场中降低更显著,μ(Z)为负值的(2,2)、(3,1)和(4,0)的能隙在Z方向电场中降低更显著。分子极性越大,随电场强度增强能隙降低越显著,分子导电性可能越好。(0,4)、(3,1)和(4,0)可能具有整流效应,但(3,1)和(4,0)的稳定性较低。     

二维磁性纳米材料的可控合成及磁性调控

自旋电子学的研究重点在于同时利用电子的电荷和自旋两个自由度对信息进行处理和存储,其具有运行速度快、存储密度高和能耗低等优势。毫无疑问,发展二维磁性纳米材料的可控合成方法及磁性调控策略,对于新型自旋电子学器件的构筑具有重要的科学意义和应用价值。然而,目前得到的二维磁性纳米材料的种类十分有限,而且合成方法及磁性调控手段相对单一,极大地限制了该领域的发展。本文首先根据磁性的来源,对二维磁性纳米材料进行了分类,介绍了诱导产生的磁性和具有本征磁性的二维纳米材料,然后详细地归纳了二维磁性纳米材料常见的合成方法,如机械剥离法、电化学剥离法、化学气相沉积法以及液相合成方法等。此外,着重总结了二维材料磁性的主要调控手段,最后展望了该领域遇到的瓶颈、未来的研究重点及应用前景。     

考虑电场梯度的挠曲电纳米板弯曲性能分析

具有尺度依赖的挠曲电效应在器件的设计中扮演着越来越关键的角色, 研究人员在微纳米尺度多物理场分析中进行了大量工作. 基于考虑挠曲电和电场梯度效应的弹性介电材料非经典理论, 以二维纳米板为例, 通过理论建模, 分析纳米板在弯曲问题中的力?电耦合行为. 根据Mindlin假设给出板的位移场和电势场的一阶截断, 选取板的材料为立方晶体(m3m点群), 将广义三维本构方程代入到高阶应力、高阶偶应力、高阶电位移和高阶电四极矩的表达式中得到相应的二维本构方程, 利用弹性电介质变分原理得到板的控制方程和边界上的线积分等式, 分别将二维本构方程和边界上外法线的方向余弦代入, 得到板的高阶弯曲方程、高阶电势方程以及对应的四边简支边界条件. 利用四边简支矩形板的高阶弯曲方程、高阶电势方程和相应的边界条件, 根据Navier解理论, 求解纳米板的电势场, 重点分析电场梯度对板内一阶电势的影响. 数值计算结果表明: 电场梯度对纳米板中由挠曲电效应产生的一阶电势有削弱作用, 且材料参数g₁₁越大, 一阶电势受到的削弱越大; 同时电场梯度的存在消除了纳米板在受横向集中载荷作用时一阶电势的奇异性. 本文是对具有挠曲电效应和电场梯度效应的纳米板结构分析理论的一个扩展, 为微纳米尺度器件的结构设计提供参考.      

也谈均匀带电细圆环的电场分布

用Mathematica研究均匀带电细圆环的电场的空间分布,准确地绘制出电场强度量值的分布图和电场方向的分布图,并纠正了最近文献中一幅场强量值分布图的失误.     

升温速度对电场烧结NdFeB材料致密化的影响

首次将电场烧结方法引入烧结NdFeB永磁材料的制备中,通过分析压坯的温度场特征发现,在较高的预设升温速度下,压坯的实际升温过程存在延迟情况。对烧结磁体的SEM观察表明,随预设升温速度的提高,磁体的致密度逐步提高。当NdFeB合金以2000℃/s的预设升温速度在1000℃烧结8min后,磁体的微观组织明显优于传统烧结磁体。     

超宽带脉冲波形的收发特性分析

采用时域电场积分方程和互易原理相结合的方法,探讨了已知接收信号的情况下,脉冲发送信号的波形,并研究了视距和非视距两种传播路径对脉冲收发信号的影响.在分析中,脉冲波形和天线几何形状可以任意.分别以蝴蝶形天线和超宽带槽式天线为例,并将计算结果与已知接收脉冲信号进行了比较.它们之间良好的一致性说明了所提方法的正确性和有效性.     

新型阶梯变掺杂SiC漂移阶跃恢复二极管

漂移阶跃恢复二极管(DSRD)一般应用于超宽带脉冲信号源,可以将纳秒级高压脉冲换向负载,这对于输出脉冲的上升前沿有很高的要求.文章提出了一种具有基区变掺杂的新型宽禁带材料漂移阶跃恢复二极管,将传统的基区掺杂变为阶梯式的浓度分布,基区内形成由浓度差导致的内建电场,该内建电场在DSRD放电回路反向泵浦阶段调节载流子分布,并...