双酚A−碳纳米管纳米复合材料制备的DFT预测和实验强度测试

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摘要 环氧树脂及其衍生物和复合材料由于具有优异的比强度，在汽车、飞机、结构粘接、保护涂层、水过滤等领域的许多潜在应用中是优选材料。作为汽车和飞机中的结构构件，环氧基部件在其使用寿命期间暴露于各种静态/动态机械载荷条件。基体和增强体之间的界面相互作用极大地影响了复合材料的最终性能。本研究表明，用于制备复合材料的溶剂也有助于界面相互作用。本研究系统地找到了适合双酚A（BPA）环氧树脂纳米复合材料的溶剂（丙酮）和增强型多壁碳纳米管（CNT），并仔细研究了所制备的环氧-碳纳米管纳米复合材料的动态和静态强度。 理论计算 作者进行了密度泛函理论（使用QuantumATK软件）模拟，以研究和确定CNT在与丙酮分子和环氧树脂基体的界面相互作用过程中原子形态的变化。计算预测，与原始CNT相比，具有轻微缺陷的CNT更适合于纳米复合材料的合成，并且也有助于CNT在BPA中的均匀分布而不聚集（以丙酮为溶剂）。此外，还详细研究了BPA和固化剂处理后碳纳米管的结构变化以及缺陷的作用。下图是DFT研究的示意图，从原始CNT（a）开始，产生单空位缺陷（b），然后加入丙酮（c），并评估丙酮官能化的CNT（a-CNTs）（d）和BPA（e）之间的相互作用，最终将非共价连接的BPA提供给a-CNTs（f）。 下图为A-CNTs的前视图和侧视图（A，b），由丙酮官能化在前方向和侧方向上引起的键长变化（c，d），连接在A-CNTs上的BPA的前视图或侧视图（e，f），以及ECD的图谱（g）。 实验验证 在恒定的磁力搅拌条件下，将在丙酮中充分分散的CNT与BPA的酯混合。使用纳米压痕技术制备了片剂形状的样品，用于测试复合材料的静态和动态性能。观察到BPA−CNT复合材料的静态弹性模量和硬度分别显著提高了55%和22%（与原始BPA相比）。纳米复合材料的储能模量和tandelta也分别提高了14%和46%。本工作中报道的静态和动态性能的改善，显著提高了BPA−CNT基纳米复合材料在严重静态和动态负载条件下的利用范围。碳纳米管增强环氧树脂的静态和动态分析为纳米复合材料的机械性能提供了更现实的理解。 参考 Suneev Anil Bansal, Amrinder Pal Singh, Sukhbir Singh, and Suresh Kumar. Bisphenol-A-Carbon Nanotube Nanocomposite: Interfacial DFT Prediction and Experimental Strength Testing. Langmuir 2023 39 (3), 1051-1060. DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c02723

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滑移顺电特性：过渡金属二硫族化合物双层

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摘要 传统的铁电体经热诱导的相变后结构对称性增加，这种更高对称性结构被称为顺电结构。铁电过渡金属二硫族化合物双层最近被证明是顺电的，但对这种相的原子构型没有太多的描述。采用包括分子动力学在内的数值计算模拟发现，它们的顺电性只能归因于具有相反本征极化的铁电相的时间域平均值，其切换需要宏观上在大的区域里进行一致滑动。 方法 作者对 $\mathrm{MoS}_2$、$\mathrm{WS}_2$、$\mathrm{MoSe}_2$ 和 $\mathrm{WSe}_2$ 等双层进行的研究包含两个部分。第一部分是利用平面波基组密度泛函理论（DFT）计算，得到相对的结构能以及过渡金属二硫族化合物双层的振动特性。另一部分是基于有限温度 MD 计算，采用了机器学习的经典原子间势，这些经典势是采用数值原子轨道基组的 DFT 结果进行训练的。 新一代材料模拟平台 QuantumATK 可以在简单易用的图形界面上完成这类计算的全部计算流程，包括： 支持基于 PAW 势的平面波 DFT 或基于 LCAO 基组的 DFT；计算能量和振动模式；基于 Berry 相位计算极化；直接在图形用户界面上进行 MTP 机器学习势的训练；采用训练好的经典势进行分子动力学模拟。 研究内容 铁电体传统上用具有两个简并极小值的能量图来描述，两个极小值之间存在较小的能量势垒J。3R过渡金属二硫族化合物双层则由于存在周期性的能量势垒结构，成为了一种具有无限数量简并极小值的“不寻常”铁电体。“顺电”状态是极化 P 在长时间内的时间平均值，其中 P 取在任何给定时间交换符号的确定非零值，平均值降到零。 采用机器学习力场的分子动力学模拟 $\mathrm{WSe}_2$双层的滑动（两层间原子对距离随时间的演化）。图 f ~图 i 可以观察到滑动过程。发生滑动的位移方向对应于六角格子的矢量（图 e 插图），通过改变温度直至观察到在 1 微秒内发生滑动，可以确定相转变温度。 490K 温度下的滑动过程 MD 模拟中，可以通过对比滑动前后两帧结构观察到极化的符号翻转。 参考 Juan M. et al. Slippery Paraelectric Transition-Metal Dichalcogenide Bilayers. Nano Letters 2022 […]

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机器学习力场与量子输运计算结合研究阻变存储器单元器件

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背景 电阻式随机存取存储器（ReRAM），如导电桥接 RAM（CBRAM）具有非易失性和快速开关速度，为当今领先的存储器技术（如闪存）提供了一种很有前途的替代方案，吸引了大量关注。CBRAM 电池由金属/氧化物/金属结构组成，其中典型的非晶绝缘层可以在施加外部电压时通过金属丝的可逆生长在高电阻状态和低电阻状态之间切换。为了将这项技术推向极限，器件尺寸已经缩小，只有很少的原子参与开关过程。为了提高器件的性能和可靠性，需要在原子水平上清楚地了解开关机制。已有文献报道使用基于分子动力学的模型来研究金属离子在氧化物中的迁移。这种方法通常包括随后对导电细丝原子的渗入分析，以确定接通和断开状态，而不考虑细丝的实际几何形状和电子结构。 研究内容 本文作者提出了一个模拟框架来模拟 Ag/a-SiO2 导电桥接随机存取存储器（CBRAM）的开关行为。基本方法是使用力场的经典分子动力学模拟来研究开关过程的动力学，然后使用从头计算来确定体系的电学性质。通过对氧化物的结构分析，作者揭示了开关机制依赖于由大的 SiO2 环型结构构成的优选通道，Ag+ 离子通过该通道迁移。此外，作者还验证了在这种通道中只移动几个原子可以使电阻状态改变几个数量级。 作者研究的典型结构的 Ag/a-SiO2/Ag CBRAM 单元器件如下图。Ag、Si 和 O 原子分别显示为灰色、黄色和红色球体。将截头锥形 Ag 丝作为种子插入氧化物中，在丝尖端和对电极之间留下 1.2 nm 的间隙。箭头表示外加电压时的电场分布状况。 所有的基于力场的分子动力学（FFMD）模拟都是用 QuantumATK 和矩张量势（MTP）框架下的机器学习力场进行模拟的。室温 300 K 下的时间步长为1 fs。MTP 参数的训练使用了多种不同的 Ag/SiO2 界面、团簇和细丝的一组代表性第一原理动力学（AIMD）轨迹。外电压对 FFMD 的影响采用附加项修改作用在每个原子上的力，这一项由原子的电荷以及所施加的电场决定。可以得到开关过程中的典型结构变化。 得到的典型结构可以使用 DFT-NEGF 方法研究导电性，这在 QuantumATK 中是广受欢迎的功能，而且使用起来也更为便捷。这种方法可以将 MD 的时间域结构变化与器件的开关通断关联起来，细致的研究结构变化的机制。 参考 Aeschlimann, et al. Insights into Few-Atom Conductive Bridging Random Access Memory Cells […]

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无修饰碳纳米管的两亲性起源：作为完全可回收的油包水乳液稳定剂

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背景 无修饰碳纳米管（CNT）显示出作为乳液稳定剂的潜力，能够取代水毒性小分子表面活性剂。然而，对现实 CNT 的水-固界面的理解不一致，阻碍了对其个性化的功能性、在良性介质中的可加工性以及与广泛基质的兼容性的利用。在低能耗要求下，基于水和廉价正构烷烃的纯碳纳米管加工是迈向绿色技术的重要一步。因此，有必要在从疏水性到亲水性的标尺上，定量评估各种结构化的 CNT 组分。这种结构交织特征可以导致两亲性，从而形成油包水乳液。 研究内容 作者使用精确的实验和严格的理论研究，研究了碳纳米管与水和油相相互作用的性质，对碳纳米管和碳纳米管乳液进行了全面表征，揭示了各种乳液的微观和纳米形态，建立了纯净和纯化碳纳米管乳化行为的描述方法，讨论了由纯净和纯化的多壁碳纳米管（MWCNT）稳定的水/油乳液的稳定性机制，结果还显示了两亲性强度取决于 CNT 尺寸、氧化/空位结构域以及油水比，表明了 MWCNT 可加工性的最佳值。 实验支持的量子力学计算表明，真实的 CNT 具有明确的亲水和疏水结构域，表现为具有亲水性开口端、少量氧官能化/空位表面区域、疏水性侧壁和全封闭端，这使得纯净 CNT 成为一维两亲物，能够用作完全可回收的一维表面活性剂，用于稳定水/油乳液。 研究结果证实，碳纳米管在制备聚合物、陶瓷、金属和其他复合材料中作为完全可回收一维乳化剂，有广泛的前景，应用领域包括诸如传热纳米流体、超级润滑剂、涂料、涂层、电催化剂，以及生物成像中局部治疗或造影剂的药物载体等。 计算部分 作者使用 QuantumATK 中的第一原理方法（DFT）对 CNT 与水分子和烷烃分子多种不同构型的相互作用能、电子态密度和电子分布等微观性质进行了计算，分别对比了开口/封闭以及不同尺寸的 CNT 的效果，以解释实验中观察到的亲和性趋势。 作者使用力场方法（ReaxFF）对 CNT-水-烷烃复合体系进行了分子动力学研究，分别研究了不同开口、尺寸、单壁/多壁、修饰基团等对两亲性的影响。建模时，作者采用 QuantumATK 中内置的 PackMol 工具构建了一个纳米管被足够多的水分子和烷烃分子包埋的模型。 为了研究更大体系在较长时间内的动力学特征，作者还使用了 time-stamped foce-bias Monte Carlo 方法对5 个 CNT、500 个癸烷、4000 个水分子体系进行了 33 ps 时间的动力学模拟。 参考 Blacha, A. W., et al, The Origin of Amphipathic […]

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$\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$光电探测器中铁电调控的光伏效应

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简介 二维范德瓦尔斯型铁电材料的可切换性给纳米级光伏器件的发展带来了更多的可能性。在本文中，北京大学吕劲老师课题组基于 QuantumATK 中密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）耦合的方法，研究了单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光电探测器在不同铁电极化状态下的光电效应，通过计算表明。结果表明当铁电极化方向切换的时候， $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光电探测器在特定波长和偏振方向下，可以产生 $69.2~mA/W$ 的光电响应率和高达 $10^7%$ 的光电流开关比。 单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 材料特性研究 理论上， $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 具有两种铁电相（WZ’ 和 ZB’），作者对两种单层相的能带结构，铁电极化和光吸收系数进行了计算。其中 ZB’-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 铁电极化强度的计算结果（面内和面外计算极化强度分别为$3.58×10^{−2}$ 和 $7.53×10^{−3}~C/m^{2}$）和实验结果（分别是 $2.67×10^{−2}$ 和 $1.33×10^{−2}~C/m^2$）高度一致。计算结果表明单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 的光吸收系数可以在可见光范围内达到 $10^5~cm^{-1}$，比传统 Si 和 GaAs 型光伏材料的吸收系数大一个数量级。 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器中浓度和尺寸依赖的光电响应 作者设计了一个基于单层 $\alpha$-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 的 p-i-n 型光电探测器，研究了在掺杂浓度和中心区本征长度改变的情况下器件光电响应率的变化情况。     结果表明掺杂浓度和中心区本征长度对光电响应的影响并不是单调的，如对WZ’-$\mathrm{In}_{2} \mathrm{Se}_{3}$ 光探测器而言，最佳掺杂浓度和本征区长度分别是 $10^{20}~cm^{-3}$ 和 $8~nm$，而对于 ZB’ […]

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环栅硅纳米线场效应晶体管的性能极限

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简介 由于环栅（GAA）硅纳米线（NW）场效应晶体管（FET）具有更好的静电栅控能力，它被认为是目前主流硅鳍式晶体管（FinFET）最有潜力的继承者之一。在即将来临的环栅硅纳米线晶体管时代，对硅纳米线晶体管性能极限的探究成为业界关心的问题。本文利用第一性原理量子输运模拟，对一维环栅硅线MOS晶体管的性能极限进行评估，并对其延续摩尔定律的能力给出合理可靠的预测。 使用环栅结构和足够细的硅纳米线沟道可以保证足够强的栅控，在有效抑制短沟道效应的情况下继续晶体管的尺寸缩放。为了方便描述源漏电极对沟道的影响，这里引入特征长度 $\lambda (\sqrt{\alpha \frac{\varepsilon_{ch}}{\varepsilon_{ox}}t_{ch}t_{ox}})$来表示源漏电场在沟道的穿透深度，其中 α 描述栅极几何结构，在单栅（SG）双栅（DG）、三栅（TG）以及环栅情况下，分别取值 1、1/2、1/3、1/4。$t_{ch}$ 和 $t_{ox}$分别代表沟道和栅氧化物的厚度；$\varepsilon_{ch}$ 和$\varepsilon_{ox}$ 分别代表沟道和栅氧化物的介电常数。如图1所示，从三维体材硅（Bulk Si）到单层硅烷（ML silicane）再到一维硅纳米线（1D Si NW），DFT 计算的介电常数从 $13\varepsilon_{0}$（实验值是 $11.9\varepsilon_{0}$）减小到 $2.8\varepsilon_{0}$ 并最终达到 $1.19\varepsilon_{0}$（0.6 纳米直径）。所以，减小硅纳米线的直径是进一步提升 5 nm 栅长下环栅硅纳米线晶体管性能的尝试方向之一。在实验上，硅纳米线的直径已经缩小到 1 nm。 图1 硅的介电系数随材料维度的变化图。 研究内容 本文选择直径为 1 nm 的硅纳米线作晶体管沟道，模拟了如图 2(a) 所示的环栅硅纳米线晶体管模型。经计算，电流集中在纳米线的中心位置（如图2(c)）。因此，除有特殊说明，本文讨论的环栅硅纳米线晶体管电流均为直径归一化处理的结果。如图3所示，在栅长为 5 nm 和 3 nm 的情况下，无论直径还是周长电流归一化方式，环栅硅纳米线晶体管的开态电流都要明显高于理论模拟的三栅硅鳍式晶体管以及双栅单层硅烷晶体管。以 ITRS 要求的高性能器件开态电流为基准，能够满足开态电流标准的三栅硅鳍式晶体管和单层硅烷晶体管，最小栅长均为 5 nm，而达到开态电流标准的环栅硅纳米线晶体管，最小栅长为 3 nm。 图2 (a) 环栅硅纳米线晶体管三维立体图， 沟道采用氢钝化的直径为 1 nm […]

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了解肠外药瓶完整性的瓶塞密封工艺

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概述 用于密封含有肠外药的玻璃瓶最常用的密封系统是由压接铝带固定弹性体瓶塞。这种密封系统可用于保护容器内物质免受包括微生物污染在内的环境因素影响。X 射线微型计算机断层扫描（micro-CT）可提供肠外药瓶密封前后关于弹性体瓶塞和铝带位置的详细信息，用于评估密封完整性和判断是否需要改进密封工艺以确保密封的完整性。在与 Micro Photonics 公司的联合项目中，使用 Simpleware 软件对 micro-CT 数据进行精确地建模和分析。 亮点 通过 X 射线 CT 数据详细研究药瓶的完整性Simpleware 软件可用于图像处理、分割和封帽变形的表面偏差分析本项目为更广泛地分析不同药瓶封帽应用场景拓展了更多可能 图像获取 在密封工艺完成前后从生产线上拿出的两个独立的药瓶进行高分辨率 X 射线 micro-CT 扫描。第一个药瓶代表开放结构，弹性体瓶塞和铝带准备就绪，但铝带还没被压变形，瓶塞也没被压缩。第二个药瓶代表封闭或密封结构，铝带已经完全卷曲，从而压缩瓶塞密封药瓶。在 Bruker SkyScan 1275 Micro – CT 设备上成像，重建投影为各向同性体素大小为 25 微米的连续切片图像。 图：密封工艺中两个不同阶段里肠外药瓶的高分辨率 micro-CT 扫描，左图为开放结构，右图为封闭结构。 图像处理/分割 将每个药瓶的位图图像堆叠导入 Simpleware ScanIP 软件环境，结合使用阈值、形态学滤波器和 3D 编辑工具分割出两种结构中的瓶身、瓶塞和密封带。对分割后的数据应用平滑滤波器，在进一步处理之前平滑表面。 图：使用 Simpleware 软件创建开放结构中分割出的瓶身和密封铝带（左）及其遮盖下未被压缩的瓶塞（右） 密封过程的表征 将两个药瓶结构中分割出的瓶塞和铝带转化为 STL 文件，导入含有开放药瓶结构的项目文件中进行比较。在 Simpleware CAD 模块中，通过与开放结构中瓶塞的对比和表面偏差分析，量化封闭结构中瓶塞的变形。表面偏差流程中需要对封闭结构和开放结构中瓶塞与瓶顶部接触的同等面进行配准。 通过把开放的瓶塞作为参考面和测量开放瓶塞上采样点到变形瓶塞上最近点间的距离进行表面偏差统计。然后将测量获得的距离以参考瓶塞上彩色图的形式展示。还可以在 Simpleware ScanIP 中将变形的铝带叠放在原始的开放铝带图像上，从而可视化密封过程中铝带的变形。同时将铝带与药瓶表面配准，图像显示创建了封闭结构铝带相对于开放铝带的重叠部分，方便观察变形。 结果 将变形的瓶塞叠放在开放的瓶塞和瓶身图像上，可以提供关于密封过程中瓶塞如何变形的定性信息。瓶塞的顶部被压缩，使得塞子在药瓶的上表面和边缘发生横向变形。在密封过程中，可以看到位于瓶子颈部内的塞子部分被迫向下进入药瓶。 图：A）变形瓶塞的剖面（绿色）叠放在开放瓶塞（红色）和药瓶的剖面上；B）变形铝带剖面（绿色）叠放在开放密封带（红色）和药瓶的剖面上；C）开放结构中的瓶塞和密封带；D）封闭结构中的瓶塞和密封带。测量显示，相较于开放结构，封闭结构的封帽被压缩了 22%。 Simpleware 软件中的表面偏差图将变形量化，展示并计算了瓶塞壁的横向变形、塞子顶部的向下变形和底部向瓶内的移动。瓶塞的最大变形为 1.07 mm，最大的变形区域对应在塞子顶部。据观察，瓶塞侧壁的横向变形与集中在瓶塞侧的最大横向变形不一致。 图：（1）封闭结构的变形瓶塞（半透明绿色）叠放在开放的瓶塞上（红色）；B）、C）和D）彩图通过以开放瓶塞作为参考面展示封闭结构瓶塞的变形。 获得的数据还表明铝带的变形（压接）不一致。 图：开放结构中金属密封带的下面（左）以及封闭结构（右），可观察到封闭结构中压接不均匀性。 本案例研究展示了一种无损量化和评价肠外药瓶密封过程中弹性体封帽和密封带变形的方法。附加的工作是要建立变形值与药瓶实际密封质量之间的关联。为了进一步开发这个模型，需要在不同的药瓶封帽机设置下对密封药瓶进行额外的测试。还应对这些另外的样品进行传统的容器密闭完整性测试（CCIT），并与本文所述方法获得结果进行比较。通过将这些结果进行关联，可以更好地理解密封过程中塞子和密封带的变形如何影响密封的完整性。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/vials.html

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燕窝的微观结构和力学模拟

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概述 燕窝的结构可以为人类提供有价值的设计见解，其在控制结构特征和材料分层方面与增材制造相似。可食用的金丝燕窝就是用它们螺纹状的唾液创建巢穴，以高分辨率严格遵循设计原则。 本项目使用 Simpleware 软件处理 micro-CT 数据的数值模型，并在 SIMULIA Abaqus 中进行应力分布的有限元（FE）模拟，研究燕窝中材料特性如何与结构设计相结合。结果显示，燕窝的宏观和微观尺度结构模式具有显著的一致性，表明对施加载荷的响应依赖于保守的设计策略，避免用于储存金丝燕鸟蛋的重要区域发生断裂。 亮点 燕窝的设计原则为如何构建复杂结构提供了重要见解，与增材制造技术具有共同点。Simpleware 软件由 µCT 创建的模型可以详细描述燕窝的微观结构。Simpleware 软件为逼真的模拟提供高质量的 FE 网格。Abaqus 的仿真结果表明燕窝是按照特定的设计原则搭建。 在 Simpleware 中创建模型 为开展这项工作，研究人员从商业农场获得了 5 个金丝燕窝，并使用 SkyScan 1176 高分辨率的 micro-CT 扫描仪（Sky Scan，比利时）进行扫描。随后将数据导入 Simpleware ScanIP 中，对感兴趣区域进行可视化和分割。为了提高效率，先对图像数据进行重采样，将感兴趣区域从背景数据中分割出来。修正 µCT 数据中的伪影和噪声，通过阈值工具分割燕窝并去除背景噪声。 使用 Floodfill 工具删除不连接的掩膜伪影，应用 recursive Gaussian 滤波器降低图像噪声和细节电平。设置将小于 125 体素的闭合孔隙添加到掩膜中，这样可以减少计算时间并提高生成单元的质量。 图：燕窝模型重建的工作流程，利用 Simpleware 软件和 Abaqus 完成从 micro-CT扫描到 FE 模型 使用 Simpleware ScanIP 测量和统计工具计算整个燕窝的形态计量学参数，包括：质量密度、燕窝的体积和表面积，以及孔隙分析。测量的对象是分割的燕窝掩膜和封闭孔隙的单独掩膜。编写一个在 YZ 、 XZ 和 XY 坐标平面对掩膜进行逐个切片的脚本，分析每个切片上孔隙和掩膜的数据，生成一个由闭合孔隙组成的多标签掩膜。创建这个掩膜是为了交互式地可视化和分析包含多个区域的孔隙掩膜，例如唾液链之间分散的孔隙。孔隙多标签掩膜是通过在孔隙掩膜中标记不连通区域获得，同时赋予每个区域不同的颜色。 导出用于模拟的FE模型 在 Simpleware 软件中生成能够展示微观结构特征的高质量有限元网格，用于模拟不同的加载状况。选择 FE Free 网格划分算法，确保高度精细的燕窝微观结构具有很高的几何精度，从而真实地表示结构中的孔隙率。网格经过平滑处理后，可导出为包含大约500万个单元的全四面体有限元模型，平均边长的长宽比为 4 – 5，平均内外长宽比为 0.8 – 1。 图：Simpleware 软件分割和生成燕窝FE网格的细节展示 在划分网格的设置中定义接触实体和节点集，然后将专用的网格模型导出至 Abaqus 求解器，可以选择节点集用于施加边界条件和载荷。通过扫描电子显微镜进行原位单轴拉伸试验，获得材料的应变和应力特性。 图：机械测量用 3D 模型生成的高分辨率燕窝 FE 网格模型，彩色标尺表示不同的材料密度 模拟应力和应变 在 Abaqus 中，有限元网格的材料属性通过拉伸试验获得的数据赋值。根据名义应力-应变曲线设置输入数据，同时考虑小变形时的线弹性模型。假设该材料在纤维水平上为各向同性，由 µCT 扫描中捕获纤维的几何排列而产生了结构的各向异性。模拟假设最坏的情况是两只金丝燕和两颗蛋施加的体积力（重力），与只额外对鸟蛋进行的测试比较结果。 图：有限元模拟结果展示在每个线性静力加载状况（A、C、E）及最坏加载情况（A-D）下的最大主应力 Simpleware ScanIP 中预定义的加载区域含有一定数量的节点，包括在燕窝边缘施加金丝燕重力的两个定义区域和燕窝中心施加鸟蛋重力的两个区域。对于燕窝的每个有限元模型，在计算应力和应变分布时，将燕窝与壁接触的几何位置处节点集约束为完全固定的（所有方向位移均为零）。有限元模拟结果显示每个线性静力加载情况结束时的最大主应力。中心的“鸟蛋区域”应力值较低，对锚定区域起到保护作用。 结论 由唾液形成的可食燕窝在宏观（重量、形状）和微观（孔隙面积和分布）特性上表现出显著的相似性，这表明燕窝是由生物采用特定的设计原则建造。对燕窝的研究也表明它们的搭建目标足以支撑两只金丝燕和两颗鸟蛋。峰值应力的管理确保优化的结构能够完全承受鸟蛋和金丝燕的重力而不破坏燕窝。 此外，该研究展示了单一材料如何正确分布在特定结构中，创建出具有可持续性和弹性的结构。这些来自动物的建造结构设计原则为人们提供了如何在仅使用本地或自产材料的条件下创建复杂结构的见解，与增材制造技术具有相同之处。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/avian-nests.htmlH.R. Jessel, […]

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分子动力学在电子材料与器件研究中的应用

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创建非晶材料结构 铝隧道结是各种电子设备的关键部件。这些被称为约瑟夫森结（JJ）的超导隧道结是超导量子比特的主要组成部分之一，这是量子计算机竞赛中最受欢迎的量子比特技术。在这项模拟研究中，作者将JJ结构建模为两个铝电极，之间被一层薄的非晶氧化铝隔开，并提出了一项结合分子动力学、原子半经验方法（密度泛函紧束缚）和非平衡格林函数的计算研究，以研究这些结器件的电子结构和电流，尝试理解非晶氧化物势垒的结构如何影响性能和缺点。结果表明，与铝氧配位相关的非晶势垒的原子性质敏感的影响伏安特性、电阻和临界电流。氧化物化学计量数是一个重要参数，可导致电阻和临界电流的几个数量级变化。模拟进一步说明了由于具有相同化学计量、密度和势垒长度的非晶势垒之间原子结构的微小差异而产生的可变性。结果还证实，通过势垒的电荷传输主要由金属传导路径控制。（Lapham, P.; Georgiev, V. P. Computational Study of Oxide Stoichiometry and Variability in the Al/AlOx/Al Tunnel Junction. Nanotechnology 2022, 33 (26), 265201. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac5f2e） 验证制备材料的复杂结构 有关无定形硒结构的结果包含许多不确定性和矛盾，特别是关于聚合链与单体环谁更具优势。由于硒的晶体同素异形体在配位数、键长、键角和二面角方面的相似性，衍射径向分布函数的分析具有不确定性。在这里，作者采用了一种非常不同的方法，通过结构相变分析探讨了热力学不稳定非晶态的分子对称性，使用扫描透射电子显微镜验证了转化的亚稳态和稳定晶体结构的结构。此外，考虑到实验技术无法证实玻璃态半导体中精确的三维原子排列，作者使用基于力场的分子动力学进行了模拟，设计了一种真正的气相沉积过程，利用经验分子气相组成和密度将硒分子沉积到衬底上。模拟得到的气相沉积和熔融淬火样品的径向分布函数与实验非常吻合。实验和分子动力学分析的结合表明，气相沉积和熔融淬火的玻璃态/非晶态硒的结构非常不同，二者的主体分别基于环和链，反映了母相在热力学平衡中的主要结构。（Goldan, A. H., et al. Molecular Structure of Vapor-Deposited Amorphous Selenium. Journal of Applied Physics 2016, 120 (13), 135101. https://doi.org/10.1063/1.4962315） 分子动力学模拟得到的结构。两种颜色分别表示环状与链状结构（a：熔融淬火；b：气相沉积）。 验证分子体系自组装结构 完全芳香的螺旋烯是构建固有手性π-共轭大环纳米碳的有吸引力的构建块。这些迄今罕见的分子结构被认为具有显著的（手性）光学性质、自组装、电荷/自旋传输、诱导环电流或甚至Möbius拓扑结构。本文报道了以角二苯并[5]螺旋烯单元为顶角、以线性反式-苯乙烯-4,4′-二基连接体为边的螺旋手性大环的合成。使用空气AFM的优化PeakForce模式，可以研究螺旋烯环三聚体在HOPG表面上的其他高度移动立体异构体的自组装。无论立体化学如何，发现这些大环的边对边相互作用的强烈偏好在有序的二维纳米晶体中形成非常长的平行一维分子条纹，这一结果也得到了分子动力学模拟的验证。最初引入大环以提高溶解度的六个三苯甲基基团，在大环的自组装中充当关键的“分子Velcro”系统，可以将它们之间的范德华相互作用最大化。（Houska, V., et al. Helicene-Based π-Conjugated Macrocycles: Their […]

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肿瘤手术的术前规划、虚拟仿真和手术导板

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概述 3D LifePrints 公司使用 Simpleware 软件从患者图像获得 3D 打印的解剖模型，用于3D虚拟仿真和手术导板设计。Simpleware 用于诊断的 3D 打印正在帮助3D LifePrints 实现即时医疗（POC）3D 打印以及嵌入式临床。 3D LifePrints 重点关注的专科之一是肿瘤外科，目前已在英国的一些专科医院开展合作。他们的工程师帮助手术团队处理困难和复杂的病例，参与到切割导板的设计和制造。这里展示两个最近的成功案例，包括半骨盆切除术和定向髂骨切除术。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 导入和可视化 CT 扫描，分割骨骼使用 Ansys 软件进行骨骼/器械间相互作用的模拟3D 打印包含定制植入物的患者骨骼模型虚拟手术规划辅助最终的手术和植入该工作流程节省时间并可更好的支持临床决策 PI/II 半骨盆切除术 在本例中，3D LifePrints 需要创建灭菌性手术导板，协助切除患者左半骨盆被肿瘤肿块破坏的部分。由于肿瘤切除手术日期紧迫，需要快速完成服务。工程师使用 Simpleware ScanIP Medical 对患者最新的 MRI 和 CT 扫描数据进行分割，创建包含肉瘤的左半骨盆虚拟模型。然后通过安全的手术切缘使肉瘤数字化扩增，突出显示以更好地区分，帮助外科医生评估和确定最佳手术切割平面。 3D LifePrints制作了3种不同的手术导板：（1）通过髂骨侧方的双平面切口（2）通过耻骨的单切口（3）引导通过坐骨的单切口。3种导板均采用可灭菌的USP Class VI生物相容性透明材料Biomed Clear，在该医院内3D Life Prints控制环境设备Formlabs 3B 3D打印机上打印制成。 图：由Simpleware生成的PI/II 半骨盆切除术模型 3D Life Prints能够在5天内创建解剖模型和设计制造导板，满足手术紧迫性的需求。手术团队使用解剖模型和导板作为术前工具，与患者详细讨论肿瘤的复发和转移。在术中，最佳匹配的导板帮助实现单一的后路扩大技术，显著缩短手术时间。 定向髂骨切除术 第二个案例的患者在常规扫描中被发现显示为无症状1级软骨肉瘤，然后进行了单独的进一步检查。肿瘤较小且位于患者的左侧髂骨，因此外科医生希望进行有针对性的、保留骨骼的切除术，确保合适的切缘以保留髂骨的完整性。 因此，3D LifePrints为该手术设计并提供了患者特定的灭菌手术钻孔导板。使用Simpleware ScanIP Medical从患者的CT和MRI扫描中分割出骨骼和肿瘤结构。然后将这些解剖结构组合为虚拟的模型，其中通过肿瘤的数字化生长创建安全的手术切缘。突出显示边界以获得更好的可视化，方便外科医生确定最佳的切除路径。 3D LifePrints使用Biomed Clear材料制作患者专用的圆形钻孔通道导板，并将3D打印的解剖模型交付给手术团队供术中参考。 图：为定向髂骨切除术准备的3D打印模型和手术导板 导板拟合良好，外科医生通过必要的钻孔引导后续的截骨手术，使手术变得简单并在一小时内完成。总的来说，手术团队高度赞扬了导板的精度水平。这种精确性意味着在保留骶髂关节和避开神经血管结构的同时，可以安全地切除肿瘤。术后患者经历了快速的康复期。 总结 3D LifePrints目前的应用和正在开发的专科手术领域，以及它们通过嵌入式中心密切参与临床站点，展示了将患者数字化、设备产品和服务带向即时医疗的巨大潜力。Simpleware软件可以支持3D LifePrints实现快速高效的工作流程，通过医学影像到3D打印等虚拟方法帮助改善患者治疗。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/oncological-surgical-planning.html

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