臂丛神经损伤的有限元分析【Simpleware应用】

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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. […]

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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】

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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 […]

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分析冠状动脉支架血栓形成【Simpleware应用】

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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, […]

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拉胀泡沫的结构和流体流动模拟【Simpleware应用】

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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 […]

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二维材料隧穿输运机制的高通量研究【QuantumATK亮点文章】

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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 […]

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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】

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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 […]

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双壳贝类纳米复合材料的弹性性能

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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 […]

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电场治疗脑肿瘤的建模【Simpleware应用】

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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 […]

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石墨醚纳米带中优异的自旋热电表现【QuantumATK亮点文章】

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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！

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机器学习力场：模拟真实体系

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机器学习力场：模拟真实体系 机器学习力场（ML-FFs）可以进行接近从头算精度的模拟，但是模拟体系的尺寸和动态模拟时间尺度则大大超过了从头算，更接近真实情况。使用 QuantumATK 中的机器学习力场功能可以生成新颖的晶体和非晶材料、合金、界面和多层堆叠的真实的复杂结构，模拟热性能和机械性能、扩散和表面过程。用户可以使用预先训练的机器学习力场库，或使用自动化、高效的训练和仿真工作流程开发新的机器学习力场。 QuantumATK中的计算引擎 QuantumATK 计算模拟引擎能够在一个平台上使用多种模拟方法进行原子级建模和模拟[1]：先进的密度泛函理论（DFT）（平面波基组的 DFT-PlaneWave 或 原子轨道基组的 DFT-LCAO ）、半经验量子力学方法、传统力场（内置 300 余力场数据库）和机器学习力场。所有模拟引擎在材料特性、动力学、过渡态搜索（NEB）、几何结构优化和其他模拟等方面均使用一个计算框架，这为 QuantumATK 上训练和使用机器学习力场提供了绝佳的集成环境。 使用机器学习力场对大型真实体系进行动力学模拟 机器学习力场比 DFT 快 1000 到 10000 倍，因此能够对包含超过 100000 个原子的真实、新颖、复杂的体系进行动力学模拟（通常 DFT 可以达到的 100 原子体系）；机器学习力场为多元素材料、界面等异质体系和远离平衡的体系（包括非晶态材料、相变或化学反应）提供了几乎和从头算一样的精度；使用 QuantumATK 提供的机器学习力场的自动化计算流程，可以比传统力场更容易完成动力学计算。一般来说，复杂体系的传统力场计算过程往往很复杂，需要反复测试和调整计算过程与参数。 机器学习力场的应用实例 生成非晶材料结构 为 PCRAM、ReRAM 和 FeRAM 等新型存储器、太阳能电池和其他应用领域生成非晶结构。在这个例子中，80 ps-ML-FF-MD 在 11 分钟内生成了 600个原子的 am-SiO2 结构，而在 16 个核上用 DFT-MD 生成 72 个原子的结构需要 10 天。用 ML-FFs […]

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  • 水滑石/硼酸锌/改性环氧树脂复合阻燃涂层的制备及其阻燃性能研究背景 发泡聚苯乙烯泡沫具有保温、吸水、抗压减震、耐候性好等优点，被广泛应用于产品包装、建筑消防、化工生产、汽车工业和航空航天等众多领域。根据相关统计，普通 EPS 阻燃性能较差，暴露在明火中容易发生分解燃烧，且燃烧时伴随着大量的浓烟和刺鼻气体，对人体和环境构成巨大威胁。因此，提高 EPS 的阻燃和抑烟性能至关重要。 研究内容 本研究由沈阳理工大学和辽宁工程技术大学等单位合作，基于机器学习势方法，使用 AMS 软件中的 ML Potential 模块完成燃烧模拟工作。构建铝镁水滑石、硼酸锌、聚氨酯和环氧树脂阻燃涂层晶胞模型。通过模拟手段从微观层面对涂层体系进行燃烧反应研究，该方法不仅能够直接获取涂层结构体系的燃烧演化过程，还能够利用微观阻燃机理揭示宏观阻燃现象。 图1 涂层分子模型 在 15000 fs 内，三种涂层体系内的总分子数量随温度升高而快速增加；15000-27500 fs 内，分子数量发生小幅度上下波动，说明燃烧逐渐减弱，分子的消耗和生成逐渐趋于平衡；25750-30000 fs 内，分子数量随温度降低而逐渐减少。0-2500 fs 阶段，涂层体系内势能的增加表明发生吸热反应；2500-27500 fs 阶段，体系内势能缓慢降低；27500-3000 fs 阶段，体系势能随温度降低而快速减小。 图2 燃烧过程中体系分子数量和能量的变化规律 [...]
  • Co-TMDC 磁性隧道结：自旋电子学的新前沿研究背景 过渡金属二硫化物（TMDCs）因其优异的电子和光学性能，成为各种应用中非常有前景的材料。这些材料的单层、少数层和块体多层结构可以通过各种方式进行合成，对材料的掺杂、缺陷工程和异质结构制备等技术还可以实现性能的定制。磁隧道结（MTJ）由两个被绝缘薄层隔开的铁磁电极组成。当铁磁电极的磁矩的平行（反平行）配置时，MTJ 表现出最小（最大）电阻，电阻的变化幅度可以以隧穿磁电阻（TMR）表示。在二进制术语中，这些电阻最小（最大）状态对应于 0/1。这些磁性比特的状态可以通过自旋转移力矩（STT）、自旋轨道力矩（SOT）或外部磁场来操纵。MTJ是自旋电子学的基本器件单元，主要用于读取和写入器件的磁性状态。其低功耗、大面积可扩展性、几乎无限的耐久性和非易失性使其适用于各种应用，如模数转换器、微波发生器、振荡器、磁传感器、非易失触发器、神经形态计算机、全加法器、基于自旋的 NANDS、自旋逻辑和磁随机存取存储器（MRAM）。 研究内容 作者研究了 Co/XY2/Co（X∈（Mo，W），Y∈（S，Se，Te））构成的高自旋极化电流的磁隧道结（MTJ）。密度泛函理论（DFT）用于计算基态电子性质，非平衡格林函数方法则用于量子输运计算。 图1. Co/XY2/Co 的结构示意图 [...]
  • 锂电池电极建模：基于 CT vs DFN 模型概述 随着电池制造业持续发展以应对交通电动化需求，企业获得加速电池设计与优化进程并降低成本等商业优势的同时也承受着日益增长的压力。新型材料和应用频繁且往往出人意料地涌现使快速优化锂离子电池（LIB）设计对制造商来说极具挑战性，必须摆脱对试错法的依赖，转向包括采用数学建模的更高程度自动化。 LIB 建模的基准模型 Doyle-Fuller-Newman（DFN）框架基于物理的连续介质模型且融合了多孔电极理论，而基于 CT 扫描图像重建的三维模型能够捕捉颗粒的真实几何形状。本研究基于 CT 和 DFN [...]
  • 【辽宁工程技术大学】褐煤在ReaxFF MD高温条件下的燃烧机理分析（Fuel 2025）研究背景 褐煤作为一种低阶煤，有挥发分和水分含量高的特点，导致其热值较低且易发生自燃，严重影响着能演工业的储存、运输和利用。当前研究从宏观层面揭示了褐煤的燃烧机制，但其背后具体的分子级燃烧特性尚未被充分理解，特别是在不同高温条件下的反应路径与动力学行为仍缺乏系统研究。目前，对于褐煤在高温下燃烧行为的系统性数据匮乏，制约了其化学动力学机制的深入挖掘。因此，深入了解褐煤的燃烧特性与自燃特性，并在此基础上优化其燃烧过程，对于提高能源利用效率、减少环境污染具有重要的现实意义。本文以神木褐煤为对象，基于表征实验构建并优化其大分子结构模型，采用Amsterdam Modeling Suite（AMS）软件与ReaxFF MD方法，对其在不同高温条件下的燃烧过程进行了系统模拟。重点分析了不同温度下神木褐煤的总势能变化、燃烧产物特征及其高温燃烧机制。模拟结果验证了自由基在煤燃烧反应链中的关键作用，尤其在高温条件下，通过自由基的持续生成与消耗维持复杂的燃烧过程。目前该文于2025年4月6日以“Construction of macromolecular model of Shenmu [...]

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    费米科技以促进工业级模拟与仿真的应用为宗旨，致力于推广基于原子级别模拟技术和基于图像模型的仿真技术，为学术和工业研究机构提供研发咨询、软件部署、技术攻关等全方位的服务。费米科技提供的模拟方案具有面向应用、模型新颖、功能丰富、计算高效、简单易用的特点，已经服务于众多的学术和工业用户。

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