攻克材料界關鍵難題！燕大團隊研究成果接連登上Nature！
2024-02-29 16:36:08
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
分享至：
燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室高壓科學中心田永君院士團隊與國內外學者合作，采用功能基元序構的設計策略，通過調控高能亞穩態到低能亞穩態的固態相變，合成出層狀基元轉角序構的氮化硼陶瓷，成功實現了賦予陶瓷塊材室溫塑性的重大科學目標。研究成果以“具有高變形能力和強度的轉角層狀氮化硼陶瓷（Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength）”為題，于2024年2月21日發表于《自然》期刊[Nature 626, 779–784 (2024)]。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07036-5
研究團隊利用洋蔥結構氮化硼熱壓和放電等離子燒結過程中的結構相變，合成出一種層狀基元轉角序構的氮化硼陶瓷塊材。這種陶瓷中的氮化硼納米片呈三維互鎖結構，每個納米片由相對轉動不同角度的平行薄片（幾層到十幾層厚度）為結構基元堆疊而成。這種轉角層狀氮化硼陶瓷塊材具有超乎想象的室溫變形能力：在單軸壓縮條件下，斷裂應變高達14%，比傳統陶瓷塊材高出一個數量級。令人驚奇的是，這種轉角層狀氮化硼陶瓷在強度提升至層狀六方氮化硼陶瓷6-10倍的情況下，卸載后的永久塑性變形竟然高達~8%，打破了結構材料強度和塑性難以同時提升的傳統認知。這種強塑性提升的協同一方面源于轉角序構的引入，使材料本征變形能力提升2個數量級；另一方面源于三維互鎖的顯微組織結構，阻斷了扭折、分層、漣漪、位錯等的傳播，將變形局限在單個納米片的內部。從而，突顯了本征變形能力的貢獻而削弱了晶界的負面作用。
轉角層狀氮化硼陶瓷不僅具有高強度和高塑性，還具有高的能量吸收能力和抗疲勞特性，有望進一步研制出高性能的密封件、阻尼元件、防護裝甲等產品。原理上講，該研究的材料設計和合成策略可拓展到其他層狀材料體系，如石墨、MAX相陶瓷等，為進一步研發其他體系的塑性陶瓷提供了啟示。
|
|
分子動力學模擬入門理論
——掌握LAMMPS的in文件中實現這些功能的命令
系綜理論、主要算法介紹、單位制
積分步長的選取、溫度和壓力控制
周期性邊界條件以及力場簡介
分子動力學模擬流程
|
|
1 LAMMPS的基礎入門
——初識LAMMPS是什么？能干什么？怎么用？
1.1 LAMMPS在win10和ubuntu系統的安裝及使用
1.2 in文件結構格式
1.3 in文件基本語法：結合實例，講解in文件常用命令
1.4 data文件格式
1.5 LAMMPS常見錯誤解決途徑
☆實例操作：
運行并理解跟自己科研方向相近的例子
|
|
第一天 下午
LAMMPS
進階
（石墨烯、金屬材料模擬專題）
|
2 LAMMPS進階實例操作，理解模擬對象的物理意義
——從簡單例子走向文獻模型，舉一反三提高學習效率
☆實例操作：
2.1 把剪切模型轉換成拉伸模型
2.2 lattice命令石墨烯、金屬、合金、高熵合金不同形狀模型
2.3 石墨烯(不同力場)、金屬、合金、高熵合金等拉伸剪切力學性質模擬
|
|
第二天 上午
LAMMPS
進階
（納米流體模擬專題）
|
3 LAMMPS進階實例操作，理解模擬對象的物理意義
——從簡單例子走向文獻模型，舉一反三提高學習效率
☆實例操作：
3.1 把二維couette和poiseuille流動擴展成三維模型
3.2 建立三維管道內的poiseuille流動
3.3 進行石墨烯通道內的Couette流動和Poiseuille流動模擬
3.4 調節通道表面電荷性質、親疏水性質，分析其對流動性質的影響
3.5 學習使用packmol，建立復雜混合溶液體系模型
3.6 模擬KCl等鹽溶液的納米流體流動
|
|
第二天 下午
LAMMPS
進階
（熱傳導模擬專題）
|
4 LAMMPS進階實例操作，理解模擬對象的物理意義
——從簡單例子走向文獻模型，舉一反三提高學習效率
☆實例操作：
4.1 理解導熱系數意義
4.2 掌握lammps計算導熱系數的幾種方法
4.3 碳納米管等導熱系數的模擬計算
|
|
第三天 上午
LAMMPS
進階
（多成分體系模擬專題）
|
5 LAMMPS進階實例操作，理解模擬對象的物理意義
——從簡單例子走向文獻模型，舉一反三提高學習效率
☆實例操作：
5.1 金屬、合金、高熵合金的摩擦模擬
5.2 材料切削模擬
5.3 夾層結構(graphene/C60/graphene)在不同粗糙度條件下的摩擦模擬
|
|
第三天 下午
LAMMPS
進階
（金屬、半導體材料的輻照模擬）
|
6 離子輻照對石墨烯、金屬、碳化硅的離位損傷模擬
6.1 建立模擬體系的初始模型
6.2 PKA動能、位移隨時間變化
6.3 點缺陷結構可視化
6.4 點缺陷的數量隨時間變化
6.5 點缺陷的空間分布及演化過程
|
|
VMD、OVITO、msi2lmp等有機小分子建模，模型合并及模擬軌跡文件處理等
|
|
第四天 上午
LAMMPS
高級
（自建分子力場參數文件和金屬有機框架材料晶體模型）
|
7 LAMMPS分子力場文件創建及MOFs材料建模
7.1 介紹固體材料單晶包試驗數據結構，掌握基本的材料幾何特征
7.2 利用MS軟件構建MOFs材料單晶包模型和H2和CO2分子模型
7.3 講解分子作用勢能函數，學習編寫MS軟件中的力場參數文件（off文件）
7.4 簡單介紹巨正則系綜Monte Carlo方法
7.5 利用Sorption模塊將H2和CO2分子插入到MOFs材料
7.6 編寫LAMMPS力場文件（frc文件），并通過lammps程序生成data文件
7.7 運行能量最小化及體系的預松弛
7.8 模擬步驟：包括能量最小化NVT平衡，對研究目標的性質進行長時間軌跡平衡-輸出研究所關心的性質。
實例操作：金屬有機框架（MOFs）儲氫和碳捕集模擬，計算密度分布，分子的MSD等性質。
|
|
第四天 下午
LAMMPS
高級
（分子篩納米膜分離H2/CO2混合氣體模擬）
|
8 研究H2/CO2在ZIF-7膜材料中分離性能
——模擬文獻Science 346 (6215), 1356-1359的分離過程
8.1 利用MS軟件構建ZIF-7膜材料單晶包
8.2 設計H2/CO2與ZIF-7體系模型，再現文獻“Science 346 (6215), 1356-1359”的實驗過程。
8.3 自定義分子力場文件（frc文件），通過lammps程序生成data文件
8.4 運行能量最小化及體系的預松弛
8.5 模擬步驟：包括能量最小化NVT平衡，對研究目標的性質進行長時間軌跡平衡-輸出研究所關心的性質。
實例操作：VMD中查看可視化的動態軌跡，計算密度分布，分子的MSD等，抽取軌跡的動能、勢能、總能量等相關數據，對軌跡進行初步分析。
|
|
|
1. ReaxFF反應力場概述
1.1. ReaxFF反應力場的發展歷程和基礎
1.2. ReaxFF反應力場參數分枝與詳解
1.3. ReaxFF反應力場的應用領域
|
|
2. ReaxFF反應力場基礎入門
2.1. 所需輸入重要文件詳解包括 control, geo, ffield等文件
2.2. 結合實例，講解輸入文件命令行，輸出文件
2.3. ReaxFF反應力場簡單實例操作及結果查看
2.4. ReaxFF反應力場運行軟件安裝和配置(standalone ReaxFF,LAMMPS)
2.5. ReaxFF 反應力場的選取和準備
|
|
3. 分子建模，可視與計算軟件
3.1. 建模軟件gview, material studio
3.2. 可視軟件molden, VMD, OVITO
3.3. ReaxFF計算軟件 standalone ReaxFF, LAMMPS
3.4 ReaxFF 特殊功能介紹：改變溫度體積，產生特定比例混合物，設置電荷，限制優化和掃描，添加刪除分子，結果查看和分析等
|
|
4. Lammps實例操作
4.1. LAMMPS運行設置和后處理程序軟件ChemTraYzer等的安裝和配置
4.2. Lammps燃燒過程簡單例子（模擬和分析）
4.3. LAMMPS高級算例：模擬化學摩擦過程（CMP）：建模，loading和shearing過程模擬，結果分析等
|
|
5. ReaxFF進階實例操作，理解計算模擬的過程及物理意義
實例操作：溶液中的質子轉移(JPCB,JPCL文獻)
5.1. 建立初始模型：重點注意事項(minimization->nvt->compress->npt->nvt)
5.2. 輸入文件設置, 開啟輸出unfolded坐標文件
5.3. 模擬步驟：能量最小化，壓縮，系綜平衡等
5.4. VMD查看結果分析：msd，擴散系數，rdf，sdf, 質子追蹤等
|
|
實例操作：碳化硅表面石墨烯的生長（Chem. Mater文獻）
5.5. 建模與輸入文件，表面選取與準備
5.6. 熱分解法生長石墨烯，刪除表面硅
5.7. cvd法生長石墨烯，添加乙炔分子
5.8. 可視評估石墨烯質量 （模擬結果統計與可視化）
|
|
6. 量子化學軟件CP2K入門
6.1. CP2K基本功能介紹
6.2. CP2K的下載和安裝
6.3. CP2K的結構文件的建模
6.4. CP2K輸入文件講解和建立
6.5. CP2K輸出文件介紹和可視化轉化
|
|
7. CP2K結構優化、過渡態搜索和力場開發實例
7.1. CP2K研究有機分子在固體表面的吸附
7.2. CP2K過渡態計算以及結構和能量提取
7.3. ReaxFF反應力場開發所需文件詳解
7.4. 提取CP2K計算結果實現ReaxFF訓練集的構建
7.5. ReaxFF力場驗證
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
了解Comsol Multiphysics的建模步驟與方法，熟悉基本操作流程
|
|
|
|
|
|
|
|
建立被動式微混合器的建模分析模型，熟悉多場耦合的原理和實施步驟
|
|
|
|
以T型通道中水滴在油流中分離過程為例，實現液滴分離操作建模
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
構造不同的通道結構，實現多細胞分離模型的設計與模擬
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
以相分離為例，逐個環節講解單組分多相流SCMP和多組分多相流MCMP的程序實現
|
|
|
|
|
|
|
免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。
