水相多酸的理论分析

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由于描述所有化学平衡的高度复杂性，多酸在水溶液中的自组装问题，仍然是一个需要研究的课题。实验技术在这一问题的研究上取得了巨大的成功，但还需要更多的努力来促进这些金属氧化物在材料科学中的应用（详见综述）。去年，ICIQ的研究人员开发了一种名为POMSimulator的模拟器，用于描述小钼团簇的水相形态。 为了充分再现钼和钨氧化物的水相形态，今年代码得到进一步扩展，对122种金属氧化物结构进行了优化，并用ADF计算了它们的解析频率。结果被传递给POMSimulator，该模拟器预测了所考虑的所有多金属氧酸盐的平衡常数。理论常数与实验常数呈线性关系，表明ADF的自由能可以直接重新标度。 参考文献： [1] Petrus, E.; Segado, M.; Bo, C. Nucleation Mechanisms and Speciation of Metal Oxide Clusters, Chemical Science 2020, 11, 8448 [2] Petrus, E.; Bo, C. Unlocking Phase Diagrams for Molybdenum and Tungsten Nanoclusters and Prediction of Their Formation Constants, J. Phys. Chem. A 2021, 125, 5212

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金和银纳米团簇的光学和光致发光特性

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目前的研究已经证明，银和金纳米团簇具有高效、稳定的光学与发射特性，并可通过改变其的几何构型与电子结构进行有效调节。对尺寸、形状、表面配体、电荷状态等方面的依赖性，使得这些纳米团簇应用于从生物成像到催化等广泛领域。借助量子化学方法，诸如如DFT、TDDFT和TDDFT+TB，能够从理论层面阐明其特定性质的物理根源。 在最近的一篇论文中，作者使用ADF中的TDDFT方法研究了Au14Cd(S-Adm)12的激发态势能面，从几何结构与电子态角度，阐释了实验上观察到的双发射的机理。两个发射极小值都被确定到第一电子激发态，发射间隔为0.24 eV。 Ag29(BDT)12−x(DHLA)x NCs (x = 1−6, 12)是纳米团簇发光的另一个例子，其光学性质随着配体改变（BDT改为DHLA）而改变。作者通过DFT计算，除了预测了完全取代的Ag29(DHLA)12的几何结构，还发现虽然在BP86/DZ理论水平上的TDDFT计算与实验结果相比有所低估，但使用长程修正泛函计算表明，光致发光机制可能主要由金属-金属转变产生。 在这两项研究目中，TDDFT+TB为这些纳米团簇光学性质的计算发挥了强大作用，以非常低的计算成本复现了从TDDFT获得的光谱。总之，这两篇文章概述了一种理论方法，用于理解纳米团簇与光之间的辐射相互作用，导致的几何结构和电子差异。 参考文献： [1] S. Havenridge, C. M. Aikens, Deciphering the Dual Emission in the Photoluminescence of Au14Cd(SR)12: A Theoretical Study using TDDFT and TDDFT+TB J. Chem. Phys. 155, 074302 (2021) [2] Y. Zeng, S. Havenridge, M. Gharib, A. Baksi, K. L. D. M. Weerawardene, A. R. Ziefub, C. Strelow, C. Rehbock, […]

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AMS在电池材料模拟与设计中的应用

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概述 理论计算模拟能够非常有效地辅助电池候选材料筛选、理解材料与性质之间的关系，对缩短研发时间、降低研发成本，发挥着越来越重要的作用。AMS 包含 DFT、DFTB、ForceField 等尺度级别的原子级材料模拟方法，宏观流体热力学性质预测，以及大量材料学模型构建和性质分析模块，特别适合分析如电池材料等复杂材料体系的性质。AMS 在研究电池材料方面有如下功能特点： 材料模型与数据库 晶体、缺陷、表面、界面等建模工具 内置数据库中导入结构模型，以及外部数据库数据读入 复杂材料模型 随机均相、非均相混合物 交联聚合物材料的聚合反应与交联率 聚合物力学性质分析 电池材料的电荷迁移、扩散、粘度预测：ReaxFF，Apple&P，DFTB 电解质的溶解度和电化学性质： 通过ADF、COSMO-RS精确计算氧化还原势、电离能 COSMO-RS预测溶解度 eReaxFF模拟电解质的降解 充放电过程模拟：基于ReaxFF或DFTB，进行巨正则系综蒙特卡洛模拟 阴极的膨胀 电压下降-Li浓度关系 扩散诱导应力 计算分子材料的核磁共振谱与NEXAFS性质 一维聚合物材料带隙筛选 模拟工具介绍 ReaxFF反应分子动力学，包含电池相关的多种力场 ChemtraYzer：自动生成化学反应路径、分析表面化学反应、统计产物数量变化、反应速率 TNEMD：热传导模拟 Molecule Gun：表面分子沉积模拟 Bond Boost：生成聚合物 支持用户使用MCFF、CMA-ES、ParAMS等方法自建、优化力场 eReaxFF：电子作为基本粒子参与化学反应的分子动力学模拟 GCMC：巨正则系综蒙特卡洛模拟，加速化学反应过程 Apple&P极化力场，模拟带电体系，如电解质（例如电池中的电荷迁移率）、离子液体、燃料电池膜等 方便地通过GUI模拟离子扩散、放电过程电压特性、材料分解、固态电解质界面形成、溶剂化与反应 密度泛函理论（DFT） 使用杂化泛函（ HSE06、HSE03），更精确的计算电子结构，结合能和扩散势垒 对大体系计算，与平面波基组相比，使用 LCAO 基组可将速度大大提高倍，从而实现高效的大规模模拟 使用色散修正泛函，更精确的模拟结合能，找到吸附位点 基于DFT与COSMO-RS计算精确氧化还原电位 基于DFT的键能分解分析（EDA）深刻理解分子间的相互作用 比平面波方法高效的Slab模型 特别适合研究表面吸附，以及在电场情况下的表面物理化学性质 基于键能分解分析pEDA，分析表面成键 研究案例和发表文章 eReaxFF研究电子迁移和锂离子的还原(J. Electrochem. Soc. 169 ,110540, […]

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配位不饱和Cu位点的精准合成及其在氯乙烯单体合成中的催化行为研究(ACS Catal. 2021)

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全球氯碱行业中，基于传统的电石法氯乙烯合成工艺开发一种高性能的、绿色的、可持续的非汞基非贵金属催化剂进程被严重掣肘。浙江工业大学李小年教授、赵佳副研究员团队基于非贵金属铜（Cu）基催化剂催化活性低、选择性差、寿命短等核心问题，通过一种简单的热活化工艺制备出一系列具有不同配位环境及空间限域特征的单原子Cu催化剂。通过基元反应路径的调控，借助动力学和理论模拟计算相结合的方式，对高催化性能触发背后的潜在机制进行揭示，并在此基础上探究了以Cu为代表的非贵金属催化剂在现有氯乙烯合成工艺中的适配机制。该研究对氯乙烯合成非贵金属催化剂的工业化应用具有显著的推进作用。 在本项工作理论模拟研究中，借助AMS软件BAND模块考察反应过程中反应物在单原子Cu位点上的吸附姿态和吸附结构并结合Hirshfeld电荷分析量化反应条件下Cu位点的电子态演变，从原子水平上揭示了乙炔的预先活化对高活性诱导的关键。进一步，在现有工业化工艺适配性研究中发现，具有较大的｜Eads (C2H2)-Eads(VCM)｜差分吸附能往往会使Cu催化剂表现出更强的乙炔活化能力，尤其是在氯乙烯富集、含硫气体杂质的影响下。除了乙炔氢氯化反应以外，本文的Cu原子反应性研究方法在其它卤化反应中可能具有潜在的应用，并为广泛催化应用中金属物种的可控调节提供了一种新的策略。 相关成果发表在：Wang B,; Jiang, Z.; Wang, T.; Tang, Q.; Yu, M.; Feng, T.; Tian, M.; Chang, R.; Yue, Y.; Pan, Z.; Zhao, J.;* Li, X.*. Controllable Synthesis of Vacancy-Defect Cu Site and Its Catalysis for the Manufacture of Vinyl Chloride Monomer. ACS Catal. 2021, 11, 11016-11028 原文见：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.1c01921 相关研究可以参阅以下工作： [1] Zhao, J.; Wang, S.; Wang, B.; Yue, Y.; […]

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有机半导体介电常数：平面度和共轭长度的影响(ADV FUNCT MATER 2021)

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体异质结有机太阳能电池的光电转换效率虽仍在稳步提高，然而单组分有机太阳能电池器件制造相对简单，因此也是特别有吸引力的一个方向。有人提出，有机半导体具有高介电常数(≈10) 在光激发下能产生自发的自由载流子。本文探讨了影响有机半导体介电常数的因素，特别是光学频率介电常数。对两类等电子材料的单体、二聚体和三聚体的性质进行了比较，它们的受体单元由一个或两个双氰基苯并噻二唑部分和一到三个供体单元组成。供体组分由具有相同乙二醇基增溶基团的芴或环戊联噻吩部分组成。研究发现，发色团的平面度和取向度以及薄膜密度都会影响材料的光电性能，尤其是高频介电常数。结果还表明，最高占据轨道和最低未占据轨道的离域化是一个关键因素。发现含有两个双氰基苯并噻二唑组分和两个二硫环戊二烯单元的二聚体的光学频率介电常数最高，总体性能最佳。 参考文献： Wei Jiang, Hui Jin, Mohammad Babazadeh, Alex S. Loch, Aaron Raynor, Neil Mallo, David M. Huang, Xuechen Jiao, Wen Liang Tan, Christopher R. McNeill, Paul L. Burn, Paul E. Shaw, Dielectric Constant Engineering of Organic Semiconductors: Effect of Planarity and Conjugation Length, ADV FUNCT MATER, 2021

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Cu掺杂对提高Fe2O3载氧体在煤化学链气化过程中反应性作用的探究(Fuel 2021)

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研究内容 本文基于煤化学链气化技术中高效载氧体优化设计的核心问题展开研究，主要针对Fe基载氧体反应性低的问题，通过掺杂引入活性组分Cu的策略来提升其反应性，借助实验和理论模拟计算相结合的方式，对反应性提升背后潜在的反应机理进行深入剖析（关于Cu-Fe载氧体反应机理的研究相对较少），为Cu-Fe高效载氧体的设计和优化提供基础研究。该研究工作对煤化学链气化技术工业化应用具有显著的推进作用。 要点1 通过机械混合-煅烧法制备了一些列CuO/Fe2O3复合载氧体（n(CuO)/n(Fe2O3) = 0.2–1.8=M）。在间歇流化床完成CuO/Fe2O3载氧体-煤化学链气化实验，如图1所示。结果表明：当M≤1时，煤转化速率、合成气产率、冷煤气效率和合成气中H2含量均随着M增大，载氧体与煤气化的性能逐渐优化；然而，当M＞1时，煤转化速率、合成气产率、冷煤气效率和合成气中H2含量均随着M增大，载氧体与煤气化性能逐渐减弱。针对气化实验结果，我们对CuO/Fe2O3载氧体进行了XRD和DES-mapping表征，如图2和3所示。结果表明：CuO/Fe2O3载氧体中Cu、Fe元素分布均匀，但随着Cu含量不同（即M增大），载氧体晶相结构发生了显著变化，晶相变化过程如图4所示，主要是CuxFe3-xO4晶相的形成。表明CuO/Fe2O3载氧体-煤化学链气化性能逐渐优化的主要原因是Cu 组分进入到Fe2O3晶格中逐渐形成CuxFe3-xO4晶相所致。   要点2 基于气化实验结果，我们对CuxFe3-xO4载氧体表面H2的氧化反应机理进行研究。借助AMS软件中BAND模块完成了过渡态理论的周期性体系DFT计算，如图5所示。结果表明：Cu掺杂不仅改变了Fe2O3载氧体表面H2的吸附性和反应热，并且过渡态理论分析表明：Cu掺杂改变了Fe2O3载氧体表面H2的反应路径，明显降低了反应能垒，使Fe2O3载氧体在煤化学链气化过程反应性显著增强，从微观角度阐释了Cu掺杂是Fe2O3载氧体反应增强的主要原因，如图6所示。该研究将对Fe基载氧体的优化设计提供基础指导。 相关成果发表在：Mei An, Nini Yuan, Qingjie Guo. Analysis of the role of Cu for improving the reactivity of Cu-modified Fe2O3 oxygen carriers in the chemical looping gasification process with coal. Fuel. 2021.305(2021) 121619 原文见：https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121619 相关研究可参阅以下工作： 袁妮妮, 白红存, 安梅, 胡修德,郭庆杰.化学链过程中Cu低浓度掺杂改性Fe-基载氧体反应性:实验与理论模拟. 化工学报. 2020, 71(11): 5290-5298. Nini Yuan, Hongcun Bai, Mei An, […]

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棒状银超级团簇稳定性和光学性能的理论研究(JACS 2021)

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由一个、两个和三个二十面体Au13单元共顶点组成的具有明确结构的棒状金纳米团簇引起了人们的广泛关注，然而目前尚未有相关多单元银超级团簇及更长的金属超级团簇的报道。南方科技大学许聪俏副研究员与清华大学王泉明教授课题组合作，报道了一例具有明确结构的最长的棒状银超级团簇，其中理论研究通过AMS软件中ADF模块进行量子化学计算，采用PBE泛函和ZORA标量相对论方法进行结构优化及电子结构分析，并且使用含时密度泛函理论模拟团簇的紫外可见吸收光谱及光学性能。 金银团簇中常见的由十三个原子组成的二十面体单元具有8电子构型，且目前发现的由该单元构建的一维共顶点棒状金超级团簇均满足Mingos规则，具有8n个价电子(n为二十面体单元个数)。然而，本研究中发现的由四个Ag13单元构成的棒状Ag61团簇含30个价电子，不满足Mingos规则。理论研究表明，各单元间强的相互作用导致其分子轨道中的强反键轨道失去两个电子而形成空轨道，且与棒状金超级团簇不同，银单元之间，尤其是棒状结构的中间两个单元之间，存在强的电子耦合作用。我们发现，Ag61团簇的稳定性高度依赖于二十面体单元的 8e 电子构型、二十面体单元之间的相互作用以及配体的稳定化作用。此外，该一维棒状银超级团簇的高吸光度主要来源于由二十面体单元构成的银骨架形成的金属轨道与配体轨道之间的电子跃迁，且其强吸收强度由其高纵横比导致的强纵向吸收决定。   参考文献： Rod-Shaped Silver Supercluster Unveiling Strong Electron Coupling between Substituent Icosahedral Units Shang-Fu Yuan, Cong-Qiao Xu*, Wen-Di Liu, Jing-Xuan Zhang, Jun Li, and Quan-Ming Wang*, Rod-Shaped Silver Supercluster Unveiling Strong Electron Coupling between Substituent Icosahedral Units, DOI: 10.1021/jacs.1c05283   感谢许聪俏老师课题组供稿

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氧化石墨烯酸性来源及水中含氧基团相关行为的理论探讨(Carbon 2021)

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在水相环境中,了解纳米氧化石墨烯(GO)的表面酸性特征以及含氧官能团的相关质子转移行为，对于氧化石墨烯纳米材料的应用具有重要理论意义和实际价值。南京工业大学杨晓宁教授课题组，采用密度泛函（DFT）方法研究了GO的酸性和表面含氧基团的质子转移行为。DFT计算使用AMS软件中的ADF模块，采用了B3LYP泛函和经验色散校正(-D3)。   在模拟中，隐式COSMO溶剂化模型用来考虑水的溶剂化效应。研究首先设计提出模拟计算了GO的羧基和羟基的酸离解离常数（pKa）的热力学方法，模拟结果与实验数据呈现一致性，模拟结果明确了GO的每种类型官能团的酸性常数数值大小，也为相关纳米颗粒体系酸性参数的理论研究提供了方法参考。通过热力学和动力学计算揭示了GO上羧基基团解离是其表面电荷形成的主要来源。进一步的DFT计算表明质子很容易在相邻的羟基和环氧基团之间转移。在质子转移过程中，GO表面的电荷分布发生显著变化。研究展现了表面含氧基团间的面内质子转移在GO表面电荷调控中的重要性，结果也将有助于加深对GOs表面化学行为新的认知。 参考文献： Yushuang Lu, Lijuan Huang, Yanan Guo, Xiaoning Yang, Theoretical insights into origin of graphene oxide acidity and relating behavior of oxygen-containing groups in water, Carbon, Volume 183, 355-361

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水系氧化还原液流电池的新型有机电解质分子设计(Science 2021)

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美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员在最近的一篇发表于《Science》的论文中，通过计算模拟辅助设计芴酮衍生物，水系氧化还原液流电池中可以实现还原产物芴醇的再氧化。实验与计算结合，是发展安全有机基氧化还原液流电池的一大进步。 作者通过添加砜等吸电子基团来调节芴醇质子的酸性，同时通过不对称取代（如砜+羧基）提高水溶性，实现了无需外加氧化剂或催化剂的可逆还原。 通过AMS软件中ADF模块+COSMO-RS模块结合计算，虚拟筛选氧化还原电势和pKa值，可以加速这些有应用前景的有机氧化还原偶的分子设计。 改性芴醇具有很高的溶解性，并且在水溶液中可以再氧化。 参考文献： R. Feng at al. Reversible ketone hydrogenation and dehydrogenation for aqueous organic redox flow batteries, Science, 372, 836-840 (2021)

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氟化氢刻蚀二氧化硅的ReaxFF分子动力学模拟

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首尔大学化工学院化学与生物工程学院、韩国国民大学高级材料工程学院，最近开发了一个用于Si/O/H/F系统，以模拟HF刻蚀剂刻蚀SiO2的ReaxFF力场。其中，利用DFT计算得到的训练集，包括反应物/产物的结构、键离解能、价角畸变、SiO2团簇与SiO2板与HF气体的反应等，对ReaxFF参数进行了优化。使用ReaxFF计算的结构和能量与QM训练集很好地匹配。 作者利用该力场，对活性HF分子对SiO2衬底的刻蚀过程进行了分子动力学模拟。研究了不同入射能量下，HF刻蚀剂的刻蚀率和反应产物数。这些模拟表明，该力场对SiO2刻蚀过程中原子表面反应，能够很好的描述。AMS的Molecule Gun功能能够模拟刻蚀模型。 AMS中包含拟合、优化ReaxFF的功能，帮助用户自建新力场，但该功能要求用户对反应、数值拟合有一定的了解。 参考文献： Dong Hyun Kim, Seung Jae Kwak, Jae Hun Jeong, Suyoung Yoo, Sang Ki Nam, YongJoo Kim*, and Won Bo Lee*, Molecular Dynamics Simulation of Silicon Dioxide Etching by Hydrogen Fluoride Using the Reactive Force Field, ACS Omega 2021

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  • 基于离域激子特性实现完全可逆的单超原子光电子开关研究背景 在信息技术飞速发展的背景下，电子器件正朝着微型化、集成化、多功能化、智能化及网络化方向不断演进。其中，微型化与集成化是支撑这一趋势的关键基础。从原子与分子尺度出发构建功能器件，不仅顺应了器件尺寸持续缩小的需求，也为在原子层面探索材料的本征特性与量子效应提供了独特平台。团簇作为介于原子、分子与宏观凝聚态物质之间的新兴结构层次，是由数个至数千个原子、分子或离子通过物理或化学作用形成的稳定微观聚集体。它们具备精确的化学组成与原子排列，表现出显著的量子尺寸效应与类分子特性。原子精度可控的配体保护金属纳米团簇不仅保留了裸团簇的类分子电子结构，还具有制备工艺简便、环境稳定性高等优点，被视为在室温条件下实现单分子光电子器件大规模制备最具潜力的功能材料之一。 研究内容 扬州大学裴玮副教授和华南师范大学周思教授课题组合作，采用含时密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，以双膦配体保护的 Au13 超原子团簇为母体结构，通过掺杂原子与 Au12 空笼间的电子耦合诱导形成独特的超原子构型，从而改变了光激发过程中电子转移的能垒。具有 18 个价电子的超原子团簇表现出显著的激子离域特性，并因此产生较大偶极矩。通过与金电极经由卤化物连接体实现共价键合，所构建的单团簇结在低栅压（0.50 [...]
  • 交错磁中相干隧穿磁阻的异常厚度缩放特性研究背景 磁隧穿结（MTJ）是自旋电子学中的基本组成部分，通过巨磁电阻效应实现非易失性存储功能。减小 MTJ 厚度是提升存储密度、高速操作和自旋轨道耦合效率的关键。最近，新型磁体–交错磁（AM）材料因具有在实空间和动量空间中的交替自旋极化受到了广泛关注，它们表现出巨大的自旋劈裂而不具备净磁矩，成为超紧凑型 MTJ 集成的理想平台。在传统 MTJ 中，隧穿磁阻（TMR）通常会随着势垒厚度的增加而增大，这是因为反平行态下电子的隧穿衰减速度比平行态更快。本工作揭示了一种在交错磁隧穿结（AMTJ）中 TMR 随着势垒厚度增加而减小的反常规律，这是由于交错磁的能带中自旋简并部分形成了一条在反平行态下无法被抑制的隧穿通道，该现象进一步在二维 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 中得以验证。 研究内容 本文首先对 AMTJ 的 TMR 随着厚度变化的物理机理进行理论分析并提出双势垒模型，将自旋劈裂的费米面分为外部区域 A 和中心区域 B。在 AP 配置中，左右电极的 Néel 矢量是反平行的，区域 A 的自旋匹配问题使得该区域的电子透射可以有效抑制，被称为有效区域。而区域 B 的传输通道在 AP 配置下仍然保持开启，因为自旋分裂的两个费米面重叠，形成了一个自旋简并的传输通道，在 P 和 AP 状态下都保持开放，也被称为无效区域。根据隧穿理论，TMR 随着中间层厚度的变化可以用以下公式表达： 其中 kA 和 kB 分别为区域 A 和区域 B 的衰减系数。本文探讨了两种情景下的 TMR 行为：当 kA 小于 kB 时，TMR 随势垒厚度增加而增加，符合传统的缩放规律；而当 kA 大于 kB 时，表现为反常的缩放现象。 图1.（a）传统 MTJ 和（b）AMTJ 中的隧穿机制；（c）平行态配置中，区域 A 和 B 的电子态都参与隧穿；（d）反平行配置中，区域 A 的电子态传输被抑制，但区域 B 的电子态仍有传输。 随后采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，研究具有不同势垒厚度的 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 器件以验证这一反常规律。首先，通过计算能带结构，V2Te2O 和 Cr2Se2O 分别为二维交错磁金属和交错磁半导体，且均具有 d 波各向异性。 [...]
  • 保留髋关节骨骼的定制植入物设计概述 髋臼骨溶解是髋关节置换术的常见并发症，由于植入物周围骨质流失导致松动将影响长期疗效。骨质流失的原因包括金属对聚乙烯轴承的磨损和假体周围感染，引发炎症从而破坏骨组织。 传统的 X 射线难以有效检测骨溶解，限制了骨质流失的早期识别，而 CT 扫描为规划翻修治疗评估骨质流失则更精准。英国皇家国家骨科医院（RNOH）的 Simpleware 软件用户通过 3D 打印的定制植入物重建严重的骨缺损并恢复丢失的骨结构。RNOH、Synopsys 和 implantcast [...]
  • 解析燃料与载氧体的相互作用：化学链燃烧中H2、CH4和CO在掺杂铁基载氧体表面位点特异性吸附机理与驱动机制研究研究背景 反应物在固体表面的吸附行为是研究反应机理的关键。在化学链燃烧中，铁基载氧体通过氧化还原反应传递晶格氧实现燃料高效利用。过渡金属掺杂可显著提升其反应活性，但掺杂引起的微观结构变化对H₂、CH₄、CO 等小分子燃料吸附行为的影响机制尚不明确。本研究采用 DFT 计算，系统研究气体分子在纯相及过渡金属掺杂铁基载氧体表面的吸附能、电子结构和相互作用机制。 研究内容 采用 AMS 计算软件中 BAND [...]

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