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固液界面的力−电−化学耦合及在电催化体系中的应用

邓齐波, 贾涵杏, 杨波, 齐正磐, 张哲绎, 阿拉木斯, 胡宁

2022, 52(2): 221-252. doi: 10.6052/1000-0992-21-042

摘要(2861)

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摘要:
目前许多新型高效金属催化剂在设计制备中都考虑到表面力学因素, 例如层状结构、核壳结构等, 其表面高活性原子受到不同程度的应变作用. 应变可直接改变金属的能带带隙, 对催化剂表面的电化学反应产生显著影响, 是一种有效提升材料催化活性的新思路和制备高性能催化剂的新途径, 因此受到了科研工作者的广泛关注. 传统的材料应变工程手段存在着活性物质层的应变值难以精确定量, 并缺少实时调控以及制备工艺繁琐等难题, 导致应变与电催化活性相关性规律识别方面的理论和实验研究进展缓慢. 相比于传统的材料手段, 交变载荷产生的应变具有幅值和频率的可变性以及连续的调控性, 在实验中可以完全排除噪声、缺陷、空位、基底效应等其他外部或材料本征的影响因素. 该综述从经典固液界面热力学表述出发, 简要介绍了电催化体系中的力−电−化学耦合效应, 归纳总结目前电催化体系中应变施加的实验手段和分析方法, 并基于目前相关研究着重讨论在交变载荷作用下应变对金属表面电催化反应的作用机理, 最后从力学角度展望了表面力学在电催化体系中的研究重点及发展趋势.

人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展

郭建峤, 王言冰, 田强, 任革学, 胡海岩

2022, 52(2): 253-310. doi: 10.6052/1000-0992-21-056

摘要(5901)

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摘要:
人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.

柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性研究进展

张美合, 李志浩, 李红刚, 张超

2022, 52(2): 311-338. doi: 10.6052/1000-0992-21-057

摘要(2959)

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PDF(490)

摘要:
钙钛矿太阳能电池凭借其低成本、高效能等优点近期备受科研领域的关注, 其光电转换效率已从初始的3.8%迅速提高到25.5%. 其中沉积于聚合物衬底的柔性钙钛矿太阳能电池相比刚性钙钛矿太阳能电池具有质量小、易弯曲等特点, 更适用于实际生产生活. 然而, 其光伏性能相比于刚性钙钛矿太阳能电池还存在一定的差距, 同时柔性电池在较大变形下的机械稳定性问题是影响其投入商业使用的主要瓶颈. 本文综述了近年来国内外科研团队在提升柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性方面的研究成果, 并从材料调控与结构创新两个方面进行了总结概述, 为柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性和综合效率的进一步提升提供了参考与建议. 此外, 针对柔性钙钛矿太阳能电池的创新发展与应用拓展, 简述了基于柔性钙钛矿太阳能电池的集能、储能、传感一体化柔性器件的研究现状与发展前景.

神经系统疾病与认知动力学 (I) : 癫痫发作的动力学与控制

韩芳, 樊登贵, 张丽媛, 王青云

2022, 52(2): 339-396. doi: 10.6052/1000-0992-21-064

摘要(3175)

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摘要:
研究表明癫痫发作过程与神经系统本身的非线性动力学行为密切相关. 因此, 开展癫痫发作的非线性网络动力学建模与调控问题的研究, 有助于理解癫痫临床表征的动力学机理和定位致痫灶网络, 进而设计有效的网络调控策略. 本文回顾了癫痫脑神经疾病网络动力学与控制方面的研究进展, 系统总结了本文作者近年来在癫痫发作动力学建模分析及其调控等方面取得的研究成果. 首先, 基于海马齿状回CA3区环路神经元网络模型, 分析了影响颞叶癫痫发作的分子和网络结构因素, 阐释了癫痫发作转迁的动力学机制. 其次, 由于脑神经系统的集群编码特性, 基于神经场模型和平均场模型建模方法完善了皮质−基底节−丘脑环路网络动力学理论框架, 并基于此框架分析了失神癫痫发作转迁的动力学分岔机制, 探讨了不同类型癫痫发作的转迁路径, 发现了失神癫痫发作转迁的多稳态共存现象, 揭示了时滞对失神癫痫同步发作的控制效果, 设计了丰富有效的癫痫深脑刺激调控策略, 给出了电刺激调控失神癫痫发作的动力学解释. 最后, 通过数据驱动的统计建模和神经元群模型动力学建模分析, 提出了局灶癫痫致痫灶定位及寻找有效控制癫痫发作网络关键节点的理论新方法. 这些研究成果为理解难治性癫痫发作动力学本质及在临床诊疗的应用方面提供重要理论支撑. 最后对进一步研究给出若干建议.

金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究

陈泽坤, 李晓雁

2022, 52(2): 397-409. doi: 10.6052/1000-0992-22-021

摘要(2080)

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摘要:
金属增材制造是集设计、制造一体化的一种新型金属构件制造技术, 在航天航空、交通运输、生物医疗等领域具有广阔的应用前景. 金属增材制造材料的力学性能与其材料微观组织密切相关. 因此, 发展金属增材制造过程中材料微观组织的模拟方法, 有助于指导和优化金属增材制造的工艺参数和流程, 从而制备出性能优异的金属材料. 本文发展了基于连续体假设的热传导模型与元胞自动机相结合的模拟方法, 并利用生死单元方法, 考虑晶粒的重熔和再生长过程, 解决了金属增材制造中多层粉末制造的数值模拟问题. 本文采用该方法模拟了镍基合金IN718、不锈钢316L和高熵合金FeCoCrNiMn的增材制造过程, 并获得了这些增材制造合金的典型材料微观组织, 其模拟结果与实验结果相吻合. 同时, 将该方法拓展到三维尺度的模拟, 研究了镍基合金IN718增材制造过程中三维晶粒的形核和生长. 最后, 对金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究中的主要问题进行了总结和展望.

轻与巧的完美结合: 缨甲飞行的秘密

张星

2022, 52(2): 410-413. doi: 10.6052/1000-0992-22-011

摘要(1338)

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摘要:
通过实验手段, 重构了缨甲飞行的三维形态学和运动学模型. 利用计算流体力学 (CFD) 分析, 成功地揭示了缨甲超强飞行能力的秘密.

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