利用有限元分析优化个性化的上颌植入物设计【Simpleware应用】

Posted · Add Comment

概述 Jajal Medical 公司使用 Simpleware 软件将患者的扫描数据(如CT、MRI)转换为适用于可视化和规划复杂手术的 3D STL 格式和有限元(FE)模型。数字化手术规划有助于降低手术期间意外并发症的风险、缩短手术室(OR)时间、节省资金以及改善临床结果和患者满意度,因此此类工作流程变得越来越有价值。 在这个案例中,患者被确诊为毛霉菌病,导致左上颌骨大面积缺损,Jajal Medical 需要为其优化个性化的上颌植入物设计。过程中运用到 Simpleware 和 Ansys 两款软件。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 导入和可视化 CT 扫描,分割出骨骼使用 Ansys 软件进行骨骼/医疗器械间的交互模拟3D 打印患者特定骨骼模型和个性化植入物虚拟手术规划协助最终的手术和植入 3D可视化和分割 采用适当层厚的高分辨率 CT 扫描数据可视化上颌解剖结构及邻近区域。在 Simpleware ScanIP 软件中导入 CT 数据,执行分割并重建 3D 解剖模型,帮助外科医生更好地可视化和理解手术。 图:采用Simpleware软件分割颅骨CT数据 个性化植入物的设计 鉴于患者左侧上颌骨骼明显缺失,在 Geomagic Freeform 软件中以健康的右侧作为参考设计上颌植入物。然后将健康的右侧上颌骨镜像并与现有上颌重叠。这种方法有助于在缺损处重建上颌骨,确保对称性和美观。此外,在植入物的表面添加孔可以达到减重效果。考虑到牙齿康复,同时将标准基台的印模也合并到植入物中。 图:个性化上颌植入物的设计 有限元分析 最终位置确定后,将文件加载到 Ansys 软件中处理。Jajal 采用有限元方法解决涉及复杂几何形状的医疗结构问题,虚拟模拟实时加载条件、评估植入物应力和疲劳,继而帮助优化设计。对个性化的上颌植入物与上颌骨一起分析,研究植入物的设计安全性和性能表现。在 Ansys 中进行真实加载条件下的虚拟仿真,了解植入物设计上的应力情况。结果显示植入物上的 Von Mises 应力为 93.29 […]

臂丛神经损伤的有限元分析【Simpleware应用】

Posted · Add Comment

概述 3D 建模和仿真能够为潜在的临床解决方案提供详细的分析,因此日本山口大学将 Simpleware 软件作为研究生物力学和脊柱损伤的重要工具。在本案例中,研究人员利用包含脊柱、硬脊膜、脊神经根和臂丛神经的复杂三维有限元模型(FEM)检查成年患者臂丛神经损伤情况。作者研究了臂丛神经损伤的机制,特别是应力和应变分布,以及该模型在其他方面的实用性。 亮点 3D 图像数据来源于可视人计划使用 Simpleware ScanIP 创建模型使用 Simpleware FE 模块生成FE网格在 JVISION 中设置边界条件在 LS – DYNA 中进行模拟 创建模型 在 Simpleware 软件中将由可视化人体项目(美国国立医学图书馆)提供的 CT 和 MRI 图像生成硬脊膜、椎骨和椎间盘的 3D 有限元网格模型。肋骨和肋软骨在研究脊柱运动特性中也非常重要,因此还创建了胸廓模型。这个模型也是为了观察肩胛骨、锁骨和肱骨与上肢运动的关系。缺少臂丛神经的图像,因此在研究数据的基础上建立了该部分的模型。 图:由脊神经根的解剖形态按比例延伸为臂丛神经 网格生成 在 Simpleware 中对所有部位以 20 节点单元划分生成网格模型,在 JVISION(日本 JSOL 公司)中设置边界条件,然后采用 LS – DYNA 进行模拟。设置四种分析条件:颈椎后屈、颈椎左侧屈、颈椎左旋转、右上肢外展。测量统计每种情况下施加在臂丛神经的应变分布和大小,以确定应变增大的位置。 图:模拟臂丛神经损伤条件 模拟结果 图:脊柱侧屈的模拟 本案例的模拟与临床研究结果一致,表明该模型是有效的研究工具。因此,可用于开发双侧臂丛神经损伤的保护方法,帮助减少患者的身体残疾和心理痛苦。未来的研究可以为应变增加更真实的阈值,同时用 FE模型重现更复杂的损伤形式,包括血流等。 参考 更多信息与致谢请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/analyzing-brachial-plexus-fem.htmlMihara, A. et. al, 2017. […]

各向异性能量色散二维电子结构增强隧穿晶体管带间隧穿输运性能【QuantumATK亮点文章】

Posted · Add Comment

研究背景 基于带带隧穿机制的隧穿场效应晶体管(TFET)有望突破传统 MOSFET 室温下 60 mV/dec 的亚阈值摆幅极限,在下一代低功耗电子器件中极具应用潜力。然而,由于其不理想的载流子隧穿概率,开态电流较低是 TFET 面临的最大挑战。虽然利用减小带隙或重掺杂的方式能够缩短隧穿宽度从而提高隧穿几率,但是这也会造成亚阈值摆幅和关态性能的恶化。因此,探索增强载流子隧穿几率的新策略对新一代低功耗电子器件的发展具有重要意义。 研究内容 鉴于此,基于对第五主族黑磷状二维半导体材料电子结构及其器件量子输运特性的研究,南京理工大学张胜利教授团队,提出了利用二维各向异性能带色散提升 TFET 开态电流的新策略,建立了完全由二维半导体的电子结构决定的载流子隧穿模型,为探寻适用于下一代低功耗电子器件的二维材料提供了理论指导。 二维各向异性载流子隧穿模型如图1所示。根据带边的能量色散和三角势垒模型,二维材料的带带隧穿概率可以表达为:$$ T=e ^ {- \alpha}, \alpha = \frac{4 ( 2m^{*}_{\parallel}) ^ { \frac{1}{2}} \left( E_g + \frac{ \hbar^2 k^{2}_{\perp} }{2 m^{*}_{\perp}} \right) ^\frac{3}{2}}{3q \hbar \xi} , $$ 这表明除了较小的传输有效质量 $m^{*}_{\parallel}$ 和带隙 $E_g$,增大横向电子态的有效质量 $m^{*}_{\perp}$,可以极大提高载流子的隧穿概率。 图1 二维各向异性带带隧穿模型及TFET的器件结构。 作者比较了二维第五主族 BiAs 和 BiSb 的隧穿输运性能,如图 2 所示。由于 2D BiAs […]

分析冠状动脉支架血栓形成【Simpleware应用】

Posted · Add Comment

概述 支架内血栓是冠状动脉支架及支架介入治疗的主要并发症,虽然发病率较低,但往往是不可预料和致命性的,仅通过临床研究难以探索其机理。因此,在这些设备的技术进步过程中,实验模型对于进一步了解设备的安全性和有效性是不可或缺的。除模型外,我们还需要结合先进成像处理技术的新颖分析方法。创建冠状动脉支架性能的流动循环模型并应用数字信号处理技术,研究因支架几何特征产生的局部流动效应,以及最终与血栓形成的关系。 亮点 利用 MicroCT 图像数据研究支架几何特征及其与血栓形成的关系使用 Simpleware 软件重建支架支柱,将定量数据发送到MATLAB进行分析实验数据和先进图像处理的结合为支架设计和血栓形成提供了深入的理解 收集实验数据 通过体外流动循环装置模拟与人类冠状动脉相似的血液流动状态。将支架放置在各种膨胀条件下的流动循环中。流动循环运行完成后,将试样经过 Micro CT 扫描获得的 DICOM 文件导入 Simpleware ScanIP 中处理。 Simpleware 中的图像处理 Micro CT 数据导入 Simpleware ScanIP 后,使用之前实验测试中预先计算的阈值水平从血块形成和循环液中分割出支架支柱。作为三维可视化工作流程的一部分,采用平滑滤波器创建连续的结构。随后利用Simpleware ScanIP API 接口为每张 Micro CT 切片中每个掩膜提取像素值,绘制血栓形成的示意图。并使用定制的 MATLAB 程序提取支柱的位置信息,并由每个切片上的掩膜像素值计算壁面距离。 图:用Simpleware ScanIP软件重建其中一个支架支柱 结果和未来展望 结果表明,支架几何特征在凝血模式中发挥着重要的作用,特别是在频率 0.6225 Hz 时对应的几何距离为1.606 mm。在所有试样中,几何特征和血块分布之间的相关性平方数大于 0.4。 图:最上面的三个图显示了每个试样的壁面距离与沿血管长度的关系,红点是每个Micro CT切片的中值,绿点是平均值。灰色阴影区域表示沿血管长度上每个切片的25 % -75 %四分位范围。最下面的图展示了血块形成和沿血管长度的关系,计算定义为血块的像素数与每个血管内腔定义的像素总数。 在贴壁不良的支架中,最大错位(真实的异质性模型)范围从 0.27 mm 到 0.64 mm,发现血栓形成在支架支柱之间,而不是直接地贴近支柱。 图:相位滞后表明支柱上没有血块,而是分散在支柱之间 这项早期工作展示了如何使用实验方法和先进的图像分析更深入地了解出现的血块形成数量以及空间位置。这种方法可以更详细地研究在实验设置的血块形成中支架设计和部署的相互作用。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/thrombosis-formation.htmlBrown, J, […]

拉胀泡沫的结构和流体流动模拟【Simpleware应用】

Posted · Add Comment

概述 拉胀材料的泊松比为负值,因此拉伸时它会在各个方向膨胀。本项目从华盛顿大学的同步加速器装置获得拉胀泡沫的高分辨率 3D 扫描数据。使用 Simpleware ScanIP 和 Simpleware FE 模块对数据进行自动分割和网格划分,将网格模型分别导出至 ABAQUS、Fluent 和 LS-DYNA 中模拟。 亮点 基于 Synchrotron XMT 的扫描数据(3 µm 的分辨率)自动分割和网格生成10 分钟内完成从图像到模型的处理对固体和空气域进行多部分网格划分,模型可用于结构和流体流动模拟 图像处理 将高分辨率(3 µm)的 Micro-CT 扫描数据导入 Simpleware ScanIP,对背景图像进行降噪处理,并使用自动的阈值工具分割主要区域。两个掩模代表泡沫和提取出的周围空气。 图:在 Simpleware ScanIP 中由 Micro-CT 数据分割泡沫 网格生成 在 Simpleware FE 模块中,几分钟内即可同时生成用于有限元分析的多部分网格,软件算法能够保证接触面上节点和元素的一致性。本案例还在材料的边界处创建了多个节点集,生成各种适合导出至 ABAQUS、Fluent 和 LS – DYNA 格式的网格模型。 图:在 Simpleware FE 中拉胀泡沫的多部分网格划分 模拟 接下来运行有限元和流体流动模拟。在 ABAQUS 中进行结构分析展示材料内部的弹塑性,Fluent 中的流体流动模拟计算通过空气域的流速和流固耦合作用,在 […]

二维材料隧穿输运机制的高通量研究【QuantumATK亮点文章】

Posted · Add Comment

研究背景 对于后摩尔器件来说,如何降低功耗是器件在微缩尺寸过程中面临的关键挑战之一。受到热载流子输运的限制,传统的场效应晶体管存在 60 mv /dec 的亚阈值摆幅(SS),严重限制了器件的功耗。值得注意的是,基于带间隧穿机制的隧穿场效应晶体管(TFET)是低功耗电子器件的潜在选择。例如,基于 $\mathrm{MoS_2}$ 的 TFET 具有低至 31.1 mV/dec 的陡峭 SS 特性,展现了二维材料在 TFET 中的巨大潜力。然而,如何在材料电子特性与器件性能之间建立模型来描述二者之间的物理关联一直是二维电子学面临的巨大挑战。因此,有必要对材料电子结构与器件输运特性之间的内在机理进行系统的研究,为后摩尔二维器件沟道材料的筛选提供更具体的方向。 基于此,南京理工大学张胜利教授团队提出了一种从原子尺度筛选 TFET 沟道材料的高通量研究策略,通过第一性原理结合非平衡格林函数的方法,系统地探索了二维材料物性与器件输运之间的内在物理关联,通过对材料晶系、电子性质和量子输运的系统考察,揭示了器件亚阈值摆幅与有效质量间的指数依赖关系。该研究结果对发展后摩尔时代二维低功耗电子器件具有重要的指导意义。 研究内容 首先,作者利用第一性原理的高通量计算方法筛选了近 50 种常见的二维材料,并提取了两种可能决定晶体管输运特性的关键电子结构性质,即带隙和有效质量。作者构建了 10 纳米沟道长度的二维 TFET 器件,揭示了因电子特性差异表现出的器件转移特性曲线的显著不同,主要体现在饱和电流以及亚阈值摆幅两个方面,并对上述两个输运特性指标进行划分,展现了位于最佳器件性能区域的材料。 图1. 近50种二维TFET沟道材料及其晶体结构示意图。 为了考察沟道材料中电子与空穴对器件输运性质的影响,本工作定义了简化有效质量 $m_r$,$\frac{1}{m_r}=\frac{1}{m_e}+\frac{1}{m_h}$,其中 $m_e$ 和 $m_h$ 分别为电子和空穴有效质量。作者探究了沟道材料的电子结构对二维 TFET 器件传输特性的影响机理,揭示了带隙、有效质量与器件饱和电流、亚阈值摆幅之间的物理关联。研究结果表明,对于具有相同晶系的二维材料,饱和电流几乎是随着带隙的增大而减小。要想实现高饱和电流和陡峭亚阈值摆幅的器件性能,二维沟道材料需要同时具有小的带隙和大的简化有效质量特征。 图2 二维TFET器件性能与沟道材料物性之间的物理关联。 进一步,将沟道材料按照晶系分为单斜、三角、四方和立方晶系四类,揭示了不同晶系结构下简化有效质量($m_r$)与亚阈值摆幅(SS)之间的指数函数关系$SS=Ae^{Bm_r}+C$ (A,B,C 为系数)。特别地是,具有正交和三角晶系的二维材料更容易具有陡峭SS特性,当简化有效质量 $m_r<0.2m_0$ 时,展现出沟道材料在二维低功耗 TFET 器件中的应用潜力。通过将材料物性与器件性能关联,能够为设计、寻找到潜在的具有陡峭 SS 特性的二维沟道材料提供理论指导。 小结 该工作提出了一种从原子尺度筛选 TFET 沟道材料的高通量研究策略,利用第一性原理的高通量计算方法,探索了二维材料的隧穿输运机理。通过对近 50 种二维材料构建了 […]

利用丰田的THUMS虚拟人体模型开发评估漏斗胸的有限元模型【Simpleware应用】

Posted · Add Comment

概述 基于成像数据的人体虚拟测试对于缓解生理实验的伦理和实际问题具有非常重要的意义。在本案例中,日本 JSOL公司和长野儿童医院将丰田公司虚拟人体模型(THUMS)的安全测试应用拓展到解决漏斗胸建模的医学挑战,漏斗胸是胸廓畸形的一种。 本项目使用 Simpleware 软件使用适合用于变换到 THUMS 的精细 FE 模型的 CT 数据,创建真实患者的胸部结构,为模拟术后肋软骨的生长提供了基础。 亮点 丰田公司的高精细 THUMS FE 人体建模软件适用于医学图像数据和病理学研究使用 Simpleware 软件由 CT 数据生成模型基于图像模型和 THUMS 的图形变化提供了详尽的仿真资源THUMS 创建的模型向未来的临床模拟提供更多选择 THUMS 的开发 THUMS 于 2000 年首次发布,是丰田汽车公司和丰田中央研发实验室合作研究项目的成果,也是世界上第一个用于重现和分析车辆碰撞过程中全身损伤的虚拟人体模型。由此产生的 THUMS 虚拟人体软件程序可适应不同的身体形态和环境,包含骨骼、大脑、内脏和肌肉。 图:THUMS中乘客模型的开发。 此外,THUMS 能够准确再现人体的形态和力量,同时也为重复不同碰撞模式的分析提供机会。因此在汽车行业,THUMS 能够在进行碰撞试验时显著减少开发时间和降低伦理风险。丰田公司从 2021 年 1 月开始无偿公开 THUMS 软件,旨在扩大其在汽车安全研究中的应用。SOL 公司和长野儿童医院为我们演示了如何将该模型应用到医学研究。 在漏斗胸研究中的应用 漏斗胸是胸前部的结构畸形,胸骨和胸腔形状异常,患者在出生或青春期胸部会出现塌陷或凹陷。手术干预中最常用的是 Nuss 微创手术,在凹陷的胸骨下植入弯曲的金属板,将胸骨支撑到正常位置,留置体内几年后取出。 在本研究中,JSOL 和长野儿童医院通过对一个 10 岁儿童的 THUMS 模型进行胸部变形处理,创建了重现患者骨骼形态和病理状态下的漏斗胸模型。然后他们利用热膨胀现象模仿术后肋软骨生长这种生理变化,从而模拟术后进展。 究人员参照患者的实际骨骼形态观察胸廓变形 漏斗胸模型的创建工作流程 […]

双壳贝类纳米复合材料的弹性性能

Posted · Add Comment

概述 剑桥大学的研究人员利用X射线计算机断层扫描和Simpleware软件表征天然生物复合材料的弹性性能。这些生物复合材料(如骨头、海绵骨针、鱼鳞和贝壳)具有独特的性能,可以耗散能量、受力弯曲、保护其他材料相免受损伤。分析这些性质有助于我们研究结构支撑、强化和吸收冲击能量的解决方案。 这个项目特别关注双壳贝类,因为这些水生生物对其环境具有很强的适应性,可以为如骨植入物等应用提供生物相容性和强度方面的认识。 亮点 以双壳类贝壳作为材料设计的灵感来源使用Synopsys公司的Simpleware ScanIP软件对复杂的micro-CT图像数据进行可视化和快速分割Simpleware SOLID模块计算有效刚度张量对弹性性能的计算模拟可用于改善产品设计 材料测量 通过实验测试获得双壳类贝壳样品的材料性能。取5种双壳类样品,用扫描电子显微镜(日本SEM-JEOL有限公司的JEOL JSM-820)比较微观结构。其他测试还包括使用Tinius Olsen 5 Kn万能试验机(英国Tinius Olsen有限公司)进行四弯曲测量、纳米压痕测量确定不同微观结构的杨氏模量和硬度,以及性能的各向异性。 图:四点弯曲夹具:将试样横置于下杆,通过上方两个弯曲点向下施加应力,上方弯曲点沿下方点以第三种方式跨越 图:从紫贻贝的壳切取一段用于四点弯曲测量 以上方法在捕捉双壳类贝壳微观结构的真实几何形状方面存在一些局限性。而基于均质化的有限元分析从X射线断层扫描成像获取实际微结构则能够提供更为可靠的解决方案。此方法考虑到了典型双壳类的多重微观结构以及它们如何共同发挥作用,以产生对不同环境的适应性优势。 借助Simpleware软件基于X射线图像的分析 使用Bruker SKYSCAN 1172 micro-CT设备对双壳类贝壳进行扫描,生成微观结构的三维图像。然后将数据导入Simpleware ScanIP进行图像处理,包括阈值化和分割,识别壳体的不同相。在Simpleware FE模块对分割后的图像数据进行网格划分,生成可直接用于进一步仿真的模型。 图:基于CT扫描数据进行耳廓扇贝棱柱状结构的分割和网格生成:(a)有机质(深灰色)可以从方解石棱柱(浅灰色)中区分出来,立方体尺寸0.4 x 0.4 x 0.27 mm3;(b-d)不同结构的有限元模型;(e)由有限个四面体单元定义的两相 本案例采用Simpleware软件物理模块中的SOLID模块通过施加(模拟)外力计算复合结构的有效刚度张量。特别是Simpleware SOLID提供基于均质化的有限元工具,在从高质量的X射线断层扫描数据获取壳体独特微观结构性能的结果中展现出相当大的价值。然后利用这个数据创建壳体的更大区域,缩减工作流程运行时间和降低硬件需求。 结论 剑桥大学开发的工作流程能够准确地模拟壳体内的压缩应力和拉伸应力,并了解如何通过材料中相的分布控制应变。分析还揭示了晶内有机质如何影响整个微观结构的刚度,以及由棱柱状微观结构产生的性能极端各向异性。人们加深了对软体动物贝壳的理解,比如相较于抵抗来自捕食者冲击带来的伤害,贝壳的弹性性能如何在具有游泳能力的物种中适应。 图:Simpleware SOLID模块中向耳廓扇贝壳体棱柱体部分施加Z方向(平行于棱柱体)拉力时的应力分布。方解石棱柱在XY平面显示为绿色,在ZX平面是橙色。有机基质为浅蓝色(XY平面)和深蓝色(ZX平面)。 Simpleware软件在将基于X射线断层成像的有限元分析应用于复杂生物复合材料的研究至关重要。利用这一工作流程,研究人员可以更好地理解生物复合材料的作用机理,以及如何将它们的自适应性延伸至改进其他产品设计的应用。 参考 致谢和更多信息请参考原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/shells.htmlO’Toole-Howes, M., Ingleby, R., Mertesdorf, M., Dean, J., Li, W., Carpenter, M., Harper, E., 2019. Deconvolution of […]

电场治疗脑肿瘤的建模【Simpleware应用】

Posted · Add Comment

概述 交变电场或肿瘤电场治疗(TTFields)是一种治疗癌症,特别是复发性胶质母细胞瘤的电磁场疗法。与传统方法相比,肿瘤电场治疗通过头皮上的阵列传递低强度的电流,展现出良好的效果。然而,人们对肿瘤电场治疗在脑内的精确分布以及它们覆盖复发性胶质母细胞瘤程度仍不甚了解。医学图像数据的计算仿真为分析肿瘤电场治疗胶质母细胞瘤的效果提供了解决方案,Simpleware 软件可以为此类应用研究生成精准的模型。 亮点 获取复发性胶质母细胞瘤患者治疗期间的MRI数据使用 Simpleware 软件生成带有传感器阵列的三维头部模型并划分网格将网格模型导出至 COMSOL Multiphysics 分析电场分布仿真结果有助于拓展对肿瘤电场治疗的认识 MRI 图像采集与肿瘤治疗 研究人员的目的是测定患者脑内的电场分布随频率的变化,因此他们对大脑结构使用了协同配准(co-registered)钆剂后 T1 加权、T2 和 MP RAGE 图像与预设的电导率和相对介电常数。1 例 67 岁女性患者的神经影像学回顾性分析,其患有右侧后脑复发性胶质母细胞瘤,在初始经过神经外科手术切除后进行了 6 个月的肿瘤电场治疗,每日颅外照射加替莫唑胺,照射后以替莫唑胺为佐剂。然后她同时接受注射一剂 10 mg/kg 的贝伐珠单抗(每两周一次)和肿瘤电场治疗,在可能的情况下持续地作用在她剃光的头上。传感器阵列的放置是基于计算机通过对MRI数据中她头部、肿瘤大小和肿瘤位置的形态测量,从而生成的个性化布局。这两种治疗持续到 24 个月时在右侧脑室外侧缘发现另一个患病部位。 图:患者脑部 MRI 图像:初始治疗 6 个月后,肿瘤可见于上层切片(A)和下层切片(B);24 个月后在右侧脑室外侧缘(D)处发现新的患病部位,而原发肿瘤稳定(C)。 图像处理和网格划分 同一个基线 MRI 用于布局,使用 Simpleware ScanIP 由协同配准的 MRI 图像数据生成头部 3D 模型。在Simpleware FE 中为每一个分割出的头部结构和传感器阵列生成有限元网格,头部包括头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液(CSF)、幕上灰/白质、脑室、脑干、小脑、复发性胶质母细胞瘤。然后将复合的有限元网格模型导出为 COMSOL Multiphysics 的格式。 图:利用 Simpleware 软件创建带有传感器阵列的头部模型 模拟结果 […]

石墨醚纳米带中优异的自旋热电表现【QuantumATK亮点文章】

Posted · Add Comment

背景 在自旋相关塞贝克效应(SDSE)中,自旋向上和自旋向下的电子在温度梯度的驱动下沿相反的方向流动,使电荷电流相互抵消,可以在器件中产生纯自旋流。作为一种制造自旋流的高效途径,近年来二维材料中的SDSE被广泛研究,如石墨烯、氮化硼、硅烯、磷烯等。人们一直致力于寻找自旋热电表现更出色的材料平台。 研究内容 作者基于新型二维材料石墨醚的纳米带结构设计构建了两类自旋热电器件,独特的能带结构及输运性质使其在热梯度之下可以产生纯自旋流。 图1 (a) 扶手椅边缘石墨醚纳米带 (AGENR) 的结构图,数字表示纳米带宽度。 (b、c) I型和II型AGENR纳米带的结构,自旋密度分布证实其边缘成功引入了磁性。(d、e)AGENR自旋热电器件的示意图,冷热端的温差为ΔT。 图2  AGENR的 (a) 能带结构和 (b) 透射谱。 (c、d) SDSE的形成机制,自旋向上和向下的电子具有符号相反的电流谱,表征其形成反向的电流。 第一性原理计算表明器件的SDSE对纳米带宽度具有鲁棒性,并表现出高自旋塞贝克系数和巨大的自旋热电优值。 图3 基于不同宽度的I型和II型AGENR器件的热致电流,表现出鲁棒的SDSE。 图4  AGENR器件的(a-d)自旋依赖塞贝克系数和(e、f)自旋热电优值。 小结 本文设计了两类基于石墨醚纳米带(AGENR)的自旋热电子器件,并通过第一性原理计算证实了其优异的自旋热电性能,在自旋热电子学中具有良好的应用前景。 参考文献 Yue Jiang, Yan-Dong Guo, Li-Yan Lin, and Xiao-Hong Yan, A robust spin-dependent Seebeck effect and remarkable spin thermoelectric performance in graphether nanoribbons. Nanoscale, 2022, 14, 10033-10040. https://doi.org/10.1039/d2nr02175g(杂志封面文章) 感谢南京邮电大学郭艳东老师课题组供稿!

 
  • 山东大学刘锋《ACS Appl. Mater. Interfaces》:两步热注射法制备低缺陷混合卤化物钙钛矿纳米晶关键词 两步热注射;钙钛矿纳米晶;空位缺陷;蓝光LED 正文 开发高荧光量子产率(PLQY > 80%)的纯蓝光钙钛矿纳米晶具有重要的基础和现实意义,因为这些材料可以作为光发射层应用于蓝光LED。阴离子交换策略是目前获得蓝光钙钛矿纳米晶的常用方法,它使用Br盐对预合成的CsPbCl3纳米晶进行后处理,通过触发Cl-和Br-离子之间的交换获得混合卤化物蓝光纳米晶。然而,大多数阴离子交换策略得到的CsPb(Cl/Br)3纳米晶PLQY通常低于30%,意味着传统制备方法无法有效消除混合卤化物当中的非辐射复合缺陷,特别是Cl空位缺陷。 山东大学刘锋教授课题组通过分析Cl空位填充热力学原理,对传统混合卤化物纳米晶制备方法进行优化改进,设计了一种简单、高效的两步热注入方式,通过调节Br离子前驱体反应活性和反应温度,打破了Cl空位填充热力学限制,在实现阴离子交换反应的同时填补了Cl空位缺陷,制备出PLQY接近100%的蓝光CsPb(Cl/Br)3量子点。所开发的纯蓝光LED(发射峰值在~460 nm)具有4 V的低开启电压和在8 V左右的高稳定性。相关工作以“Filling [...]
  • 利用有限元分析优化个性化的上颌植入物设计【Simpleware应用】概述 Jajal Medical 公司使用 Simpleware 软件将患者的扫描数据(如CT、MRI)转换为适用于可视化和规划复杂手术的 3D STL 格式和有限元(FE)模型。数字化手术规划有助于降低手术期间意外并发症的风险、缩短手术室(OR)时间、节省资金以及改善临床结果和患者满意度,因此此类工作流程变得越来越有价值。 在这个案例中,患者被确诊为毛霉菌病,导致左上颌骨大面积缺损,Jajal [...]
  • 超临界流体的不均性分布及其对反应行为的影响(JACS Au 2022)研究背景 超临界流体因其特殊的性质,已经广泛应用于化学工程行业中。以热裂解反应为例,如石化炼炉,高性能燃烧容器等装置内发生的热裂解反应,往往发生在超临界流体中。已有大量实验研究报道,超临界条件下的热裂解反应在反应速率及反应产物等方面,显著差异于常压气相下的热裂解反应。然而,解释这些由于相态区别导致的反应行为差异,尚为超临界领域内的一个难题。为此,有必要从超临界流体本身存在的特殊微观流体结构出发,对其微观分布与特异反应行为的关联进行研究,为拓宽超临界流体的应用提供理论基础。 基于此,天津大学化工学院刘国柱教授团队提出了一种结合机器学习与分子动力学的模拟策略:通过集群变量驱动元动力学(CVHD)模拟超临界流体在真实工况条件下的反应过程,准确描述了超临界热裂解的特殊反应行为,并通过深度神经网络对原子局部环境进行学习,将超临界流体从原子尺度划分为“类液原子”与“类气原子”,揭示了拥有特殊局部环境的“类液原子”在超临界流体反应中的重要作用,理论性地解释了超临界反应的特殊反应行为。该研究结果对于深入探索超临界流体及相关反应具有重要的理论意义。 研究内容 首先,作者利用AMS软件ReaxFF模块中提供的集群变量驱动元动力学算法(CVHD),模拟了真实工况条件下(1000 K),气态及超临界态代表性碳氢燃料组分正癸烷的热裂解反应过程,并追踪了反应中的主要产物分布,构建了两种反应条件下的反应机理网络。相较于气态热裂解反应,超临界态下的反应中,诸如氢提取反应,双自由基加成反应等双分子反应所占比例显著提高,导致反应产物中大分子烷烃数目增加,产物烷/烯比增加,符合实验结果。 为解释超临界态热裂解反应的特殊行为,选择深度神经网络对真实气相、液相原子的局部环境进行学习,构建二元分类器,对超临界流体进行筛分。筛分结果表明,超临界流体并非均匀单相,而是由“类气原子”与“类液原子”交织共存形成的泡沫状结构。随着流体所处环境压力的改变,流体体密度发生变化,所含“类液原子”的比例也随之改变,并呈现出S型变化趋势。 图1. 超临界流体中的类气、类液原子分布(a)3 MPa; [...]
  • 臂丛神经损伤的有限元分析【Simpleware应用】概述 3D 建模和仿真能够为潜在的临床解决方案提供详细的分析,因此日本山口大学将 Simpleware 软件作为研究生物力学和脊柱损伤的重要工具。在本案例中,研究人员利用包含脊柱、硬脊膜、脊神经根和臂丛神经的复杂三维有限元模型(FEM)检查成年患者臂丛神经损伤情况。作者研究了臂丛神经损伤的机制,特别是应力和应变分布,以及该模型在其他方面的实用性。 亮点 3D 图像数据来源于可视人计划使用 Simpleware ScanIP [...]