铌酸锂晶体缺陷研究中的介尺度团簇演变

铌酸锂晶体中存在着丰富的缺陷结构，主要包括V_Li、Nb_Li⁴⁺、V_Nb以及V_O等点缺陷。缺陷的存在会在很大程度上影响铌酸锂晶体的性质，如压电、电光、铁电、光折变、非线性光学性质以及激光损伤阈值，进而影响声表面波、电光调制器、声光调制器、温度/压力/加速度传感器等器件性能。铌酸锂晶体中缺陷形成的主要过程可以归结为以O^2–为中心的介尺度团簇演变。明确铌酸锂晶体缺陷形成过程中的介尺度团簇演变机制对于缺陷的控制具有十分重要的意义。本文将从缺陷类型、形成能以及介尺度团簇模型研究铌酸锂晶体中缺陷的动态演变过程以及形成机制。最后分析铌酸锂晶体结构中缺陷导致的杂化、再杂化过程，同时考虑多种自由度的耦合，为铌酸锂晶体的缺陷控制、快速生长以及性能调控贡献力量。最后举例介绍分析铌酸锂晶体缺陷与性质、功能的关联关系。     

微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展

功能微颗粒材料因其微型化和多功能化等优点而在诸多领域具有广泛的应用。微流控技术可控制备的多样化乳液液滴体系为功能微颗粒材料的创新设计与可控制备提供了优良而独特的模板。深入研究乳液模板法构建功能微颗粒材料过程中介尺度结构的形成与演变规律，以及液滴界面介尺度结构与乳液动力学行为、界面传质与反应耦合对微颗粒介尺度结构的影响规律等，对于实现乳液模板结构调控与新型功能微颗粒材料创新制备具有重要意义。本文主要综述了微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展，着重涵盖了两方面内容：（1）微流控法可控制备乳液模板的过程中，液滴界面两亲分子聚集态介尺度结构的调控与液滴运动、吞并、融合、相界面定向演变等动力学行为之间的相互影响关系和调控机制，以及上述调控对液滴形貌、结构和组成的影响规律；（2）乳液模板制备功能微颗粒的过程中，界面传质、反应，及两者耦合对微颗粒介尺度结构的定向调控，以期为新型功能微颗粒材料的高效制备与性能强化提供科学指导。     

高温固体氧化物燃料电池多孔电极结构介尺度研究方法

高温固体氧化物燃料电池（SOFC）在可持续新能源领域具有广泛的研究与应用前景,多孔电极结构的本质特征是介尺度,这种特性对电极内物质传输和电池性能起着决定性作用。本文综述了应用于多孔电极结构的微尺度和介尺度的数值、物理研究方法以及介尺度耦合其他尺度的多尺度方法,分别讨论了各方法适用的研究内容、研究进展及其优缺点。通过分析得出,微尺度方法可精确模拟SOFC电极材料的微观特性,介尺度方法可重构复杂的电极微观结构、模拟三相反应,同时是研究电极微观结构和宏观模拟之间的重要桥梁,因此,介尺度与其他尺度方法的耦合可以较好地解决微观结构和多物理场耦合下的相互作用。在未来的研究中,降低介尺度及其耦合的多尺度方法的计算成本、发展先进的实验设备和可视化技术具有重要的研究潜力与价值。     

介尺度视角下的电催化剂调控策略

电催化剂是化学能转化过程中电化学反应的核心，最大程度地提升其催化性能，对提高电催化效率、节能降耗具有重要意义。如何确保催化剂活性中心在物质（包括电子）的传输通道交汇处，调控活性并同步提升其稳定性与导电性，是设计与优化电催化剂并实现其性能最大化的关键。在催化剂的构筑与制备中，表界面结构、组成与性质等的变化往往呈现非线性关系，即介于两极端情况的介尺度区域内会出现性质的突变，表现出介尺度性质。基于此，从“介尺度”的视角，总结了近年来在催化剂表界面活性位构筑与调控中存在的介尺度现象与对应策略，从晶体结构、化学组分、相界面以及应变效应等对催化剂结构以及性能的调变几个方面进行分析梳理，进一步指出：介尺度思想可以指导电催化剂的设计，为制备高性能电催化剂提供了新的思路和视角。     

无机杂化钙钛矿团簇材料：介尺度钙钛矿材料发光性质研究

近年来,介尺度钙钛矿材料体系中钙钛矿魔幻尺寸团簇（PMSCs）材料因具有优异的半导体特性而在新兴光电器件领域极具潜力。然而,介尺度PMSCs容易在合成过程中生成尺寸较大的介尺度钙钛矿量子点（PQDs）,难以满足实际应用的需求。本研究采用配体辅助再沉淀（LAPR）方法,通过调节戊酸（VA）和油胺（OAm）配体比例制备了不同发光性质的无机杂化介尺度钙钛矿材料CsPbBr₃ PMSCs、CsPbBr₃ PMSCs/CsPbBr₃ PQDs混合物和CsPbBr₃ PQDs,研究并分析了PQDs和PMSCs的光学性质、形貌结构、稳定性和介尺度结构演变机理。研究发现,表面协同钝化配体VA和OAm的比例是反应能否生成介尺度纯相CsPbBr₃ PMSCs的关键。而且,当VA和OAm配体的表面钝化效果越佳越易生成发光性质优异的纯相CsPbBr₃ PMSCs。     

比天然金刚石更硬的人工材料

正天然金刚石自发现以来一直被公认为自然界中最硬的材料。合成出比天然金刚石更硬的新材料和新型高性能超硬材料也一直是学术界和产业界的共同追求,而且这种追求依赖于可靠的设计理论。过去的十年里,基于Phillips的化学键介电理论建立了极性共价晶体硬度的微观模型,设计出了系列的新型超硬结构。随后,又揭示了多晶极性共价材料新的硬化机制,建立了多晶共价材料硬度与显微组织特征尺寸的定量关联,发现量子限域效应将主导多晶共价材料在纳米尺度的硬化。因此,纳米结构化仍将成为提高多晶材料硬度的有效手段,     

功能材料化学品结构设计与性能调控

以功能聚合物载药纳米颗粒、功能环境和能源吸附材料为研究体系,依据目标性能需求设计产品结构和结构调控的思路,阐述了在实验基础上通过分子/介观模拟和模型化等技术研究分子、聚集态纳/微结构与产品性能间定性和定量关系的研究进展,并尝试建立从分子水平和微介观尺度上揭示材料化学品结构特征的系统方法,探索功能材料化学品的定向设计和调控,形成从分子水平和微介观尺度上揭示材料化学品结构特征的技术基础。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

人工智能驱动化学品创新设计的实践与展望

改进化学品研发模式，缩短化学品从发现到应用的时间是化工行业中所有科学研究者和产业人员的最终目标。本文提出：化学品设计是一个涉及多组分、多尺度和多物理场的复杂过程，现有的实验研究模式难以深入高效地揭示相关的物理化学机制；因此，需要借助多尺度计算机模拟技术，从微观分子层面的化学结构出发，耦合多种模拟方法来预测宏观产品的性能；同时，随着计算机算力的提升，将基于物化机制的多尺度计算机模拟方法与数据驱动的人工智能相结合的研发模式，具有广阔的应用前景，例如基于高精度多尺度模拟数据训练的机器学习模型能够指数级地缩短化学品结构-性质的预测。尽管如此，由于广阔的分子结构空间和复杂的分子作用力关系，新型化学品研发面临着众多独特的挑战。如何借助人工智能提高现有模拟技术的准确性与速度，更好地理解和预测材料的性质和特点，并将人工智能引入材料设计算法，以实现更高效地探索和优化复杂的化工设计参数，使其更适应实际需求，是化学品设计研究的前沿方向。本文从多尺度模拟、材料设计框架和科学计算软件开发三个方面，分析讨论了人工智能驱动化学品创新设计的发展现状，阐述了人工智能技术在实现化学品设计创新途径中所起的重要作用，并对人工...     

氯化聚乙烯与小分子化合物掺杂体

介绍了氯化聚乙烯与多官能团小分子掺杂体的特殊性质及其机理。目前，该领域的研究重点在于对掺杂体形态结构和动态力学性能的分析与控制，应用这方面的研究成果可以开发出一系列具有优异阻尼性能、形状记忆效应以及其他独特功能的新材料。     

复杂材料的微相分离和结构演变

共聚高分子和表面活性剂系统常常能够形成不同尺度的复杂结构,在材料和生物技术领域具有广泛的用途.这种结构及其形成过程与自然界中大量存在的斑图及其演化过程具有非常类似的机理,受到不同学科研究者的广泛关注.在高分子系统的分子热力学、微相分离及结构演变过程领域已经开展了大量的研究工作,已成为凝聚态物理、高分子物理、统计力学理论和计算机模拟的热点之一.在分子尺度上,基于格子和自由空间的分子热力学模型、计算机分子模拟方法可以用于描述高分子系统的相平衡和分子的聚集形态.在介观尺度上,时间相关的Ginzberg-Landau理论、元胞动力学方法等可以有效地研究微相分离结构的演变过程及其受外场的影响.而耗散粒子动力学模拟则可以将分子尺度和介观尺度的研究结合起来,是一种跨尺度的研究方法.多尺度研究方法的发展将成为今后研究的重点.本文总结了该领域的某些研究进展.     

多尺度耦合方法及其在高聚物材料加工中的应用展望

跨长度和跨层次现象以及相应的多尺度耦合反映物质世界的基本性质及多学科交叉的内禀特征,具有极其丰富的科学内涵。在材料设计及加工成型过程的模拟仿真中采用多尺度耦合方法具有极为重要的理论和工程意义。本文介绍了材料科学中多尺度的时空性质,各个不同尺度上的相关研究方法和建立多尺度耦合模型的基本思想;指出高聚物成型加工中采用多尺度研究方法的研究前景,并简要介绍短纤维复合材料的注射成型填充过程中双尺度多耦合模型的建模过程。     

提升管反应器介尺度结构影响规律的数值模拟研究

提升管反应器存在典型的颗粒聚团介尺度结构,其分布特性对气固流动、反应有重要影响,对介尺度结构影响规律进行分析有助于为反应器的设计与优化操作提供基础信息。采用基于能量最小多尺度（EMMS）方法的曳力模型建立了提升管气固两相流动模型,考虑了颗粒聚团对气固相间动量传递的影响。此外,进一步通过考虑颗粒聚团的存在以及颗粒聚团的非均匀性对化学反应的影响,提出了描述介尺度结构对反应速率影响的修正因子,与气固流动模型进行耦合,建立了基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型,并进行了模型验证。进一步应用该模型,对工业催化裂化提升管反应器的流动-反应特性进行了模拟分析。结果表明,该模型可以合理描述提升管气固相互作用,能够预测出壁面附近存在较多介尺度结构的分布特性,由于聚团的存在使得重油组分难以与催化剂充分接触,生成汽柴油的反应速率较低,转化较慢,聚团的分布特性导致靠近边壁处的重油组分浓度较高,汽柴油组分浓度较低;汽柴油在聚团内部的流动阻力较大,在聚团内发生过量的二次反应生成较多焦炭,导致壁面处焦炭浓度较高。与传统基于平均化而未考虑聚团影响的模型相比,基于介尺度结构的模型所预测的汽油收率最佳值与工业实际相接近。因此,基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型可以合理描述提升管内进行的流动-反应耦合特性,并能揭示介尺度结构对催化裂化反应过程的影响,有望为工业提升管装置反应终止剂技术的开发提供重要的基础信息。     

材料化学工程科学内涵及方法初探:从介观尺度界面流体行为出发认知材料

作为一门新兴的交叉学科,材料化学工程科学内涵的进一步凝练和方法论的建立显得十分重要和迫切。介观尺度下界面流体的研究对于材料化学工程具有重要意义,材料化学工程的科学内涵在于通过认识介观尺度下界面处流体行为来"认知"材料,以期建立材料结构、性能(应用)与制备(生产)三者之间的关系。其中,弄清介观尺度下复杂作用和复杂结构对界面流体行为的影响,是"认知"材料的关键。分子模拟技术作为单因素遴选介观尺度各影响因素的有效手段,在实际应用中存在两大难点:如何同时获得界面流体反应和传递两个方面的信息;如何实现分子层面认识在材料应用层面的转化。基于此,初步讨论了材料化学工程研究方法的发展趋势。     

水泥领域中纳米技术的应用研究现状

纳米科学技术自上世纪80年代以后得到了飞快发展,人类可以通过控制Mesoscopic结构,在介观体系内创造颏的功能材料,从而使材料科学进入了一个新时代。纳米技术主要有两点应用研究内容,其一是以纳米尺度观点研究材料领域中的“微观结构”,控制和设计分子与原子等纳米级组织,创造新物质;其二是利用纳米功能材料微粉作为混合剂、催化剂等与其他传统材料混合或复合,成为具有新性能的结构材料或改善了传统材料特性。     

新材料的界定与分类

1、概念界定 新材料是指那些新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。新材料与传统材料之间并没有截然的分界，新材料在传统材料基础上发展而成，传统材料经过组成、结构、设计和工艺上的改进从而提高材料性能或出现新的性能都可发展成为新材料。     

微纳米含能材料及安全应用专刊序言

<正>微纳米含能材料是一类在空间尺度至少有一维具有纳米尺度或亚微米尺度的结构性含能材料,在结构形貌上具有颗粒、线、面、多孔或核壳结构的特征。含能材料的结构尺度与含能材料的反应性和物理性质有着密切的关系,当尺度从微米向纳米缩小过程中,含能材料的性质也将发生量变到质变的变化,导致含能材料及其复合物的燃烧和爆炸性能、安全性和寿命发生本质改变,从而出现多样化能量释放特性。通过尺度效应途径使得已知含能化合物和复合物的性能多样化,     

复合材料构件宏细观跨尺度分析

本文探讨一种适用于复合材料宏细观间跨尺度分析的细观元方法。细观元法在结构的常规有限元内部设置密集细观单元以反映材料细观构造,又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度,再上机计算。此方法可实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过渡分析,而计算单元与自由度又等同一般常规有限元,为解决具有细观结构新材料与构件跨尺度分析提供一种新的有力工具。本文给出用于宏细观跨尺度分析细观元法的基本原理与算式,并以纤维增强复合材料和功能梯度复合材料为例介绍其工程应用。     

从多尺度到介尺度——复杂化工过程模拟的新挑战

化工过程普遍面对具有多尺度结构的复杂系统,而作为从基本单元相互作用形成系统整体行为与功能的关键环节,介尺度结构对化工过程的定量描述和定向调控具有重要意义。同时,化学、材料、生物、物理和系统科学等领域也都逐步认识到各自的介尺度问题及其共同特性。这表明对介尺度结构与行为共性的深入研究将对科学界产生全局性的影响,同时也表明这样的研究必须通过多学科充分交流、紧密合作才能取得重大进展。本文试图从多尺度研究的背景出发探讨化工及相关过程中介尺度模拟的意义、挑战和方法,并展望其发展。     

双碳目标下的多尺度稀土新材料研究

“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”是中国对国际社会的庄重承诺。材料是实现碳减排技术的重要物质基础。通过介绍多尺度稀土新材料在能源存储、废气/尾气催化、电催化、永磁电机等领域应用的最新研究进展,分析了多尺度稀土新材料在攻坚双碳目标中发挥的作用。稀土是重要的“工业维生素”,着重介绍了稀土在原子离子、纳米微米、体块等尺度上对功能材料展现的独特作用。在量子材料方面,分析了稀土强关联固态电解质、稀土超导材料及稀土阻挫材料的最新研究进展。希望新型稀土功能材料的开发在减少碳排放方面起到促进作用。