南京大学鞠熀先课题组提出双激发态电化学发光机制并用精氨酸修饰黑磷量子点增强发光强度(Nat. Comm. 2022)

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电化学发光(ECL)过程中的激发态是通过电活性物质与电极之间发生电子传递形成的中间体自由基之间发生电子转移反应产生的。通常,激发态物种可以是1R*或者3R*。根据自旋统计规则, 1R*和3R*的比值为1:3,从最低激发三重态(T1)到基态(S0)是非辐射跃迁。因此,ECL发光体的最大量子效率仅为25%,这限制了ECL过程中辐射能量的充分利用。热激活延迟荧光过程可以实现3R*到1R*的快速反系间窜越,从而充分利用单线态和三线态激子。但是,热激活延迟荧光过程通常仅在最低激发单重态(S1)和T1之间的能隙足够小(约0.1 eV)时才能发生。近期,南京大学生命分析化学国家重点实验室的鞠熀先教授研究团队用黑磷量子点(BPQDs)作为ECL发光体,实现了同时从S1到S0和T1到S0发生辐射跃迁产生ECL。 BPQDs在2014年首次由块状黑磷制备(Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 3653−3657),已广泛用于光热治疗、电催化和柔性器件等领域。BPQDs和黑磷纳米片的ECL已受关注,但空气中的氧化降解使黑磷纳米材料表面存在氧化缺陷,严重影响其光学和电学性能。在该工作中,作者用溶剂热法制得直径4 nm左右的BPQDs(图1),提出一种精氨酸(Arg)钝化BPQDs氧化缺陷的策略。精氨酸通过其胍基的离域正电荷与BPQDs表面氧化缺陷的负电荷间的静电和氢键相互作用结合,提高了BPQDs的水溶性、稳定性、可修饰性和ECL性能。 图 1. 精氨酸修饰前(BPQDs,蓝色)后(R-BPQDs,红色)的电镜与谱学表征 在阴极共反应剂K2S2O8存在时,R-BPQDs/GCE在−1.20 V出现ECL峰,其强度比BPQDs/GCE高25倍,阴极ECL效率比BPQDs高3.2倍。BPQDs和R-BPQDs的ECL光谱都表现出双发射的性质,其波长与它们各自的荧光和磷光峰位置一致。因此,BPQDs和R-BPQDs具有同时从S1到S0和T1到S0发生辐射跃迁产生ECL的性质(图2)。根据精氨酸与BPQDs的氧化缺陷之间的静电和氢键相互作用,作者用AMS软件ADF模块进行密度泛函理论计算,验证了精氨酸的重要作用。氧化缺陷导致BPQDs的最高占据分子轨道(HOMO)局域在缺陷位置,阻碍电子转移,因此降低了发光强度。在精氨酸修饰钝化表面氧化缺陷后,R-BPQDs的HOMO移动到中心位置,从而改变了电子跃迁途径,使HOMO与最低未占据分子轨道(LUMO)的空间重叠更大,明显提高了发射强度和电荷转移能力。通过比较不同氨基酸修饰BPQDs后的ECL变化,作者认为R-BPQDs的阴极ECL增强归因于精氨酸中吸电子胍基的存在,它稳定了邻近的电子注入R-BPQDs的LUMO后产生的R-BPQDs阴离子自由基R-BPQDs•−。 图2. 精氨酸修饰BPQDs前后的阴极ECL机制 为了将R-BPQDs的ECL用于生物分析,作者用含有精氨酸的多肽(精氨酸-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-丝氨酸,RRGDS)代替精氨酸修饰BPQDs,合成RRGDS-BPQDs,其中RGDS可以特异性识别整合素αV/β3,并将RRGDS-BPQDs共价连接在多壁碳纳米管修饰的GCE上,利用RGDS将细胞膜表面富含整合素αV/β3的A549细胞结合到电极表面,开发出一种用于评估整合素抑制剂抑制效率的灵敏ECL方法,证明了BPQDs的ECL以及激发态调节策略的实用性。该工作提出的ECL激发态调节新策略为解密ECL机理提供了新途径,并拓宽了纳米ECL发光体的应用。 上述相关成果已以“Arginine-modified black phosphorus quantum dots with dual excited states for enhanced electrochemiluminescence in bioanalysis”为题发表于Nature Communications(DOI: 10.1038/s41467-022-35015-9)。博士生于思琦和博士后杜宇为该工作的共同第一作者,鞠熀先教授为通讯作者。 鞠熀先教授课题组长期从事纳米发光体的ECL及其生物传感应用研究:首次在水相体系研究QDs的ECL性能,并将其用于共反应剂的化学传感(Anal. Chem. 2004, 76, 6871–6876),制得第一支量子点ECL生物传感器(Chem. Commun. 2007, 404–406),构建了QDs的能量转移、电子转移、表面缺陷、自生共反应剂、共反应剂消耗等ECL新机制,发现了新的ECL共反应剂,建立了小分子、DNA、蛋白质和糖基的ECL检测方法,研制出低ECL电位的量子点。随后,该研究组设计合成了多种具有ECL性能的无机纳米颗粒,如g-C3N4纳米片、钴基MOF、电活性MOF、鲁米诺或Ru(bpy)32+负载的纳米复合材料、双稳定剂封端的Au纳米簇和铜掺杂的铽MOF等,提出新的ECL生物传感机制(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10446-10450; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 3049-3053; Anal. Chem. 2021, 93, 14878)。近年来,鞠熀先教授通过合成噻咯-咔唑偶联的聚合物量子点(Pdots)和钌联吡啶掺杂的Pdots,提出了双ECL增强策略,发展了电子受体-电子供体-聚集发光基团偶联的高效ECL发光体和Pdots双分子内共振能量转移的ECL体系,构建了金属离子和多种疾病标志物高通量可视化成像检测方法,用合成的共反应剂内嵌高ECL效率的Pdots,实现了单个活细胞膜蛋白与单细胞分泌物的无试剂ECL成像检测(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 197; Biosens. […]

天然疏水深共晶溶剂捕获预燃烧CO2研究(ACS Sustainable Chem. Eng 2022)

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摘要 本文通过使用COSMO-RS方法,设计疏水性深共晶溶剂(DES)预燃烧CO2捕集溶剂。作者通过AMS软件COSMO-RS模块对CO2在各种化合物与二元溶剂中的溶解度进行了可靠性较高的估算,从筛选的38种天然衍生疏水CO2亲和的化合物中开发出新的DES,根据COSMO-RS预测的活度系数评估这些物质中两两形成DES的可能性,然后进一步预测CO2的溶解度,总共筛选出58个有希望的DES,成功地制备并表征了8个DES。 室温下,这些DES大多数密度大于1.0 g/mL,具有与癸酸-薄荷醇(1:2)类似的低挥发性,在420 K以下具有很好的热稳定性。确定其中香兰素-4-氧代异膦酮(1:3)和水杨酸甲酯-4-氧基异膦(1:1),是非常有前途的预燃烧捕获剂,与众所周知、常规使用的Selexol溶剂具有相当的CO2溶解度和粘度。 参考文献 Kun Xin, Fausto Gallucci, and Martin van Sint Annaland*, Development of Natural Hydrophobic Deep Eutectic Solvents for Precombustion CO2 Capture, ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c05090

我感兴趣的关于COSMO-RS/SAC、UNIFAC的课程内容征集【长期有效】

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2022年11月5日,AMS(Amsterdam Modeling Suite)开发者荷兰SCM公司与费米科技,结合广大老师、同学们前期对讲座内容需求的反馈,联合举办COSMO-RS和COSMO-SAC在线讲座。SCM公司陈威霖博士将介绍有关COSMO-RS的理论以及计算溶液热力学性质的现实溶剂法和分段活度系数法,并展示在AMS的图形窗口中如何进行简单计算,并使用python脚本展示更强大的应用案例,包括:溶解度筛选、共晶筛选、共熔溶剂、离子液体。讲义、视频、脚本等资料,详见链接。 未来我们计划继续开展类似讲座,因此长期面向广大师生征集讲座课题,敬请填写下表,我们将在开课时通过邮件通知您参与信息。

多氧钒酸盐中成分驱动的原型动力学(Chem. Sci. 2022)

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概要 在计算质谱学中,人们经常需要解决将质谱信号与可行且化学上合理的结构相关联的问题。尽管这些问题在有机化学领域中通常能够得到解决,有时甚至使用简单的启发式方法,但对所有无机和纳米分子体系来说仍然是一个挑战,例如配位化合物会表现出多种键合连接方式。 在最近发表在《化学科学》上的一项工作中,剑桥大学Kondinski 等人解决了由钒、砷和氧原子制成的新的、复杂、多核无机物的质谱信号相关性问题。从组成上来说,无机分子属于球形杂多钒酸盐 (heteroPOV) 家族,这是一组众所周知的催化活性和磁响应材料。 确认质谱仪检测到的结构,最初似乎是一个无法克服的问题,正如作者在论文中仔细列举的那样,有超过 40,000 种构造可以在形式上构建出球形heteroPOV。作者决定采取不同的路线并应用系统思维,整合了关于已知结构的经验证据,并将分子内应变作为替代构型的一个因素,从而能够较快地在整个化学空间中搜寻,并迅速定位到一些可能的结构。使用 AMS软件中ADF模块优化、整理并分配,与实验观测相关联的分子结构。 总体的研究揭示了一种前所未有的结构变化:当球形heteroPOV逐渐被砷过度地取代时,整体结构将跃变为环状。 参考文献 Kondinski, M. Rasmussen, S. Mangelsen, N. Pienack,   V. Simjanoski,   C. Nather,   D. L. Stares,   C. A. Schalley, W. Bensch, Composition-driven archetype dynamics in polyoxovanadates, Chem. Sci. 13, 6397-6412 (2022)

ReaxFF:蛋白质聚集体热解产生超轻气凝胶(Materials Today 2022)

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概要 二维(2D)石墨烯(G)和一维(1D)碳纤维(CF)集成的新型碳结构,具有优异的应用潜力,但无法直接制造这样复杂的架构,因此在很大程度上需要进一步的探索。最近普林斯顿大学Craig B. Arnold等人,将基于描述性/预测性的全原子反应分子动力学模拟(ReaxFF+蛋白质力场)的计算化学方法与实验结合起来,从多学科角度对这一问题进行了挑战性的探讨,发现了令人鼓舞的现象: 大分子蛋白质聚集体中的相互作用,为设计和制造复杂多孔材料,提供了独特的机会,且无需外部模板和昂贵的后处理。研究人员将新鲜鸡蛋中的蛋白加工成了可伸缩的、无缝连接的、具有双重孔隙度的分级G-CF气凝胶。 基于AMS(Amsterdam Modeling Suite)ReaxFF模块的模拟,准确地再现了这些结构,与实验结果一致性良好,并证明具有分层结构的多孔形态存在多种潜在应用可能性。 参考文献 S. Ozden et al., Egg protein derived ultralightweight hybrid monolithic aerogel for water purification, Materials Today 2022, DOI: 10.1016/j.mattod.2022.08.001

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

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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 Chlorine Vacancy with Bromine: A Two-Step Hot-Injection Approach Achieving Defect-Free Hybrid Halogen Perovskite Nanocrystals”为题,发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》,并被选为封面文章。 1. 两步热注射法 混合卤化物钙钛矿中的Cl-Br阴离子交换本质上是一个动力学过程,只要提供充足浓度的反应离子即可完成卤素交换反应。然而,得到的大多数混合卤化物PLQY较低,说明引入的Br–离子不能有效填补或消除Cl空位。这和Cl空位填充过程的热力学性质有关,因为Br–填充 Cl空位可以看作是PbCl6八面体的修复过程,在这个过程中Br–离子和Pb2+将形成新的化学键配位,见图1(a)。 方案1(a)阴离子交换反应和通过形成Pb-Br化学键填充Cl空位的示意图;(b)两步热注射方法合成CsPb(Cl/Br)3纳米晶的示意图。 2. Br前驱体和反应条件的优化 新的Pb-Br化学键的形成只有在其热力学壁垒被打破时才会发生,因此需要对合成参数进行额外调控,例如Br前体反应活性、反应温度等。基于此,课题组研究了一系列具有代表性的Br前驱体,包括PbBr2、GeBr2、ZnBr2、InBr3、AgBr和CuBr2,并研究了它们在120 ~ 160 ℃范围内注入到CsPbCl3纳米晶溶液的温度(图1(b))。通过评估各个反应条件下所得到的纳米晶的光学性质,确定最佳反应温度和最优的Br卤素源。 图1(a)使用AgBr制备的纳米晶的PL光谱;(b-c)使用 PbBr2、GeBr2、ZnBr2、CuBr2和InBr3制备的纳米晶PL光谱;(d-e)使用GeBr2制备的Cl/Br钙钛矿纳米晶的TEM-EDX分析;(f)使用各种Br前体所得纳米晶的XRD谱。 3. 低缺陷纳米晶的表征 如图2(a)所示,在相同PL峰位置条件下(~460 nm),采用GeBr2于160 ℃制备的CsPb(Cl/Br)3纳米晶PLQY达到98%,而其他卤化物前驱体得到的纳米晶QY普遍低于20%。但当注入温度降低到120 ℃时,GeBr2制备的样品PLQY也会下降到约60%,表明不同温度条件下Cl空位的填充情况不同,进一步支持了Cl空位填充过程是一个热力学过程,即Br前驱体反应活性和反应温度对其能量壁垒的打破起非常关键的作用。为直观展示空位缺陷,课题组采用XPS技术对纳米晶进行结合能表征。如图2(b),GeBr2制备的纳米晶XPS Pb 4f7/2谱可以很好地采用单峰拟合,约138.5 eV,对应Pb2+与卤素离子的键合状态。而PbBr2制备的纳米晶(PLQY ~1%),其XPS除了该固有的特征峰外,还包含一个由油酸铅贡献的信号(空位缺陷的一个重要特征,~138.0 eV),表明GeBr2制备的纳米晶确实有效抑制了空位的生成。 图2(a)不同Br前体和两种不同反应温度下制备的CsPb(Cl/Br)3纳米晶的PLQY;(b)为PbBr2和GeBr2制备的样品的XPS Pb 4f7/2谱图。 […]

超临界流体的不均性分布及其对反应行为的影响(JACS Au 2022)

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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; (b) 15 MPa; (c) 30 MPa 进一步地,对超临界态反应中大量增加的双分子反应进行追踪分析,发现双分子反应集中发生于“类液原子”及其近邻原子所构成的“类液区”中。后续分析发现,“类液原子”拥有与液态相似的局部环境,其较高的局部密度保证了足够的有效碰撞几率,促进了双分子反应的有效进行,并最终导致超临界态反应的特殊反应行为。 图2. 典型双分子反应的定位及原子种类划分。其中(a), (b)为反应追踪及定位;(c), (d)为类气/液原子划分结果。 小结 该工作结合机器学习与反应性分子动力学模拟,从超临界流体的微观分布特殊性出发,解释了超临界态反应的特殊反应行为。集群变量驱动元动力学算法有效地拓展了模拟时长,使真实工况下的反应模拟成为可能。深度神经网络分类器则描述了超临界流体的不均性微观分布,并确定了超临界流体中特有的“类液原子”,以及其与双分子反应之间的联系。该研究结果从微观层面完善了对于超临界态反应的了解,广泛地拓展了超临界流体及其反应的应用空间。 参考文献 Yutong Wang, and Guozhu Liu*, Inhomogeneity Effects on Reactions in Supercritical Fluids: A Computational Study on the Pyrolysis of n‑Decane, JACS Au, 2022, DOI: 10.1021/jacsau.2c00359 感谢天津大学化工学院刘国柱教授课题组博士生王宇桐同学供稿!

Super-B 作为 碱金属(Li、Na 和 K)离子电池阳极的计算研究(Journal of The Electrochemical Society 2022)

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最近储能系统已成为未来研究的焦点。根据最近报道的super-B的特点,巴基斯坦古吉拉特大学与旁遮普大学的研究者们,正在探索碱金属(Li、Na和K)离子电池的阳极材料。吸附碱金属(Li、Na和K)浓度后,Super-B的金属行为甚至保持在最大水平。在Super-B上吸附金属离子的所有位点中,中空位点似乎是最有利位点。碱金属在Super-B上的吸附产生3718 mhA/g的最大理论容量,碱金属(Li、Na和K)修饰的Super-B的开路电压(OCV)分别为0.35、0.81和1.39V。 此外,对于Li和K沿H-T-H,计算得到的扩散势垒较低,分别为0.14 eV、0.44 eV,而对于Na沿着H-B-H位点,计算得到的扩散势垒为0.16eV。低OCV、超快扩散势垒和高比理论容量,表明新发现的Super-B是非常有前景的金属离子电池阳极候选材料。 参考文献: Dr, Muhammad Isa Khan1, Maida Anwar2, Abdul Majid2, Muhammad Shakil2 and Muhammad Rizwan, Computational Studies of Super-B as Anodes for AM (Li, Na, and K) Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society 2022

卤代羧酸盐作为稳定和可持续钠离子电池的有机阳极(ACS Appl. Mater. & Interfaces 2022)

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有机材料作为钠离子电池 (NIB) 的阳极具有竞争力,因为它成本低、资源丰富、环境友好且可持续性高。美国乔治梅森大学与阿贡国家实验室的研究者们,合成了三种卤代羧酸盐基有机阳极材料,以探索卤素原子(F、Cl和Br)对NIB中羧酸盐阳极电化学性能的影响。氟化羧酸盐阳极,2,5-二氟对苯二甲酸二钠(DFTP-Na),在高比容量(212 mA H/g)、长循环寿命(300次循环)和高速率能力(高达5 A/g)方面优于其他含H、Cl和Br的羧酸盐阳极。 实验结合AMS软件第一性原理计算结果表明,DFTP中的两个F原子降低了溶解度,增强了循环稳定性,并在氧化还原反应期间与Na+相互作用,从而在NIB中形成了高容量和稳定的有机阳极材料。这项工作证明了氟化羧酸盐化合物是开发高性能有机阳极的有效途径,用于稳定和可持续的NIB。 参考文献 Jinghao HuangKachief I. E. CallenderKaiqiang QinMichael GirgisMikell PaigeZhenzhen YangAndre Z. Clayborne*Chao Luo*, Halogenated Carboxylates as Organic Anodes for Stable and Sustainable Sodium-Ion Batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, https://doi.org/10.1021/acsami.2c07383

COSMO-RS流体热力学计算课程(免费在线)报名与内容开放式征集

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费米科技与AMS软件厂商荷兰SCM公司,正在筹备免费在线COSMO-RS的系列知识讲座。主讲人由SCM公司COSMO-RS开发组陈博士担任(语言为中文),暂定课程内容包括如下方向: COSMO-RS、COSMO-SAC、UNIFAC、COSMO-UNIFAC模型理论背景COSMO-RS软件的基本使用离子液体中的气体溶解、气液平衡药物共晶筛选、溶剂优化存在二聚、多聚、氢键、阴阳离子的溶质、溶剂的更准确计算盐溶液的饱和蒸汽压与开发者的交流 我们向所有对流体热力学计算感兴趣的老师同学们,征集您感兴趣的话题,增加到我们的课程内容中,课程时间暂定9月底-10月。如果您有想了解的个性化内容,欢迎您通过如下报名表单提交,我们将会在每堂课开始前通过邮件通知您。

 
  • 燕窝的微观结构和力学模拟概述 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 [...]
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