攻克材料界關(guān)鍵難題！燕大團(tuán)隊(duì)研究成果接連登上Nature！
2024-02-29 16:36:08
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高壓科學(xué)中心田永君院士團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外學(xué)者合作，采用功能基元序構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，通過調(diào)控高能亞穩(wěn)態(tài)到低能亞穩(wěn)態(tài)的固態(tài)相變，合成出層狀基元轉(zhuǎn)角序構(gòu)的氮化硼陶瓷，成功實(shí)現(xiàn)了賦予陶瓷塊材室溫塑性的重大科學(xué)目標(biāo)。研究成果以“具有高變形能力和強(qiáng)度的轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷（Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength）”為題，于2024年2月21日發(fā)表于《自然》期刊[Nature 626, 779–784 (2024)]。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07036-5
研究團(tuán)隊(duì)利用洋蔥結(jié)構(gòu)氮化硼熱壓和放電等離子燒結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)相變，合成出一種層狀基元轉(zhuǎn)角序構(gòu)的氮化硼陶瓷塊材。這種陶瓷中的氮化硼納米片呈三維互鎖結(jié)構(gòu)，每個(gè)納米片由相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度的平行薄片（幾層到十幾層厚度）為結(jié)構(gòu)基元堆疊而成。這種轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷塊材具有超乎想象的室溫變形能力：在單軸壓縮條件下，斷裂應(yīng)變高達(dá)14%，比傳統(tǒng)陶瓷塊材高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。令人驚奇的是，這種轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷在強(qiáng)度提升至層狀六方氮化硼陶瓷6-10倍的情況下，卸載后的永久塑性變形竟然高達(dá)~8%，打破了結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和塑性難以同時(shí)提升的傳統(tǒng)認(rèn)知。這種強(qiáng)塑性提升的協(xié)同一方面源于轉(zhuǎn)角序構(gòu)的引入，使材料本征變形能力提升2個(gè)數(shù)量級(jí)；另一方面源于三維互鎖的顯微組織結(jié)構(gòu)，阻斷了扭折、分層、漣漪、位錯(cuò)等的傳播，將變形局限在單個(gè)納米片的內(nèi)部。從而，突顯了本征變形能力的貢獻(xiàn)而削弱了晶界的負(fù)面作用。
轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷不僅具有高強(qiáng)度和高塑性，還具有高的能量吸收能力和抗疲勞特性，有望進(jìn)一步研制出高性能的密封件、阻尼元件、防護(hù)裝甲等產(chǎn)品。原理上講，該研究的材料設(shè)計(jì)和合成策略可拓展到其他層狀材料體系，如石墨、MAX相陶瓷等，為進(jìn)一步研發(fā)其他體系的塑性陶瓷提供了啟示。
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專題一 LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)模擬
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贈(zèng)送視頻內(nèi)容
MD基礎(chǔ)知識(shí)
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分子動(dòng)力學(xué)模擬入門理論
——掌握LAMMPS的in文件中實(shí)現(xiàn)這些功能的命令
系綜理論、主要算法介紹、單位制
積分步長(zhǎng)的選取、溫度和壓力控制
周期性邊界條件以及力場(chǎng)簡(jiǎn)介
分子動(dòng)力學(xué)模擬流程
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1 LAMMPS的基礎(chǔ)入門
——初識(shí)LAMMPS是什么？能干什么？怎么用？
1.1 LAMMPS在win10和ubuntu系統(tǒng)的安裝及使用
1.2 in文件結(jié)構(gòu)格式
1.3 in文件基本語法：結(jié)合實(shí)例，講解in文件常用命令
1.4 data文件格式
1.5 LAMMPS常見錯(cuò)誤解決途徑
☆實(shí)例操作：
運(yùn)行并理解跟自己科研方向相近的例子
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第一天 下午
LAMMPS
進(jìn)階
（石墨烯、金屬材料模擬專題）
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2 LAMMPS進(jìn)階實(shí)例操作，理解模擬對(duì)象的物理意義
——從簡(jiǎn)單例子走向文獻(xiàn)模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
☆實(shí)例操作：
2.1 把剪切模型轉(zhuǎn)換成拉伸模型
2.2 lattice命令石墨烯、金屬、合金、高熵合金不同形狀模型
2.3 石墨烯(不同力場(chǎng))、金屬、合金、高熵合金等拉伸剪切力學(xué)性質(zhì)模擬
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第二天 上午
LAMMPS
進(jìn)階
（納米流體模擬專題）
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3 LAMMPS進(jìn)階實(shí)例操作，理解模擬對(duì)象的物理意義
——從簡(jiǎn)單例子走向文獻(xiàn)模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
☆實(shí)例操作：
3.1 把二維couette和poiseuille流動(dòng)擴(kuò)展成三維模型
3.2 建立三維管道內(nèi)的poiseuille流動(dòng)
3.3 進(jìn)行石墨烯通道內(nèi)的Couette流動(dòng)和Poiseuille流動(dòng)模擬
3.4 調(diào)節(jié)通道表面電荷性質(zhì)、親疏水性質(zhì)，分析其對(duì)流動(dòng)性質(zhì)的影響
3.5 學(xué)習(xí)使用packmol，建立復(fù)雜混合溶液體系模型
3.6 模擬KCl等鹽溶液的納米流體流動(dòng)
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第二天 下午
LAMMPS
進(jìn)階
（熱傳導(dǎo)模擬專題）
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4 LAMMPS進(jìn)階實(shí)例操作，理解模擬對(duì)象的物理意義
——從簡(jiǎn)單例子走向文獻(xiàn)模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
☆實(shí)例操作：
4.1 理解導(dǎo)熱系數(shù)意義
4.2 掌握lammps計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)的幾種方法
4.3 碳納米管等導(dǎo)熱系數(shù)的模擬計(jì)算
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第三天 上午
LAMMPS
進(jìn)階
（多成分體系模擬專題）
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5 LAMMPS進(jìn)階實(shí)例操作，理解模擬對(duì)象的物理意義
——從簡(jiǎn)單例子走向文獻(xiàn)模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
☆實(shí)例操作：
5.1 金屬、合金、高熵合金的摩擦模擬
5.2 材料切削模擬
5.3 夾層結(jié)構(gòu)(graphene/C60/graphene)在不同粗糙度條件下的摩擦模擬
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第三天 下午
LAMMPS
進(jìn)階
（金屬、半導(dǎo)體材料的輻照模擬）
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6 離子輻照對(duì)石墨烯、金屬、碳化硅的離位損傷模擬
6.1 建立模擬體系的初始模型
6.2 PKA動(dòng)能、位移隨時(shí)間變化
6.3 點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)可視化
6.4 點(diǎn)缺陷的數(shù)量隨時(shí)間變化
6.5 點(diǎn)缺陷的空間分布及演化過程
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備選內(nèi)容，根據(jù)課堂進(jìn)度和學(xué)員情況決定
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VMD、OVITO、msi2lmp等有機(jī)小分子建模，模型合并及模擬軌跡文件處理等
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第四天 上午
LAMMPS
高級(jí)
（自建分子力場(chǎng)參數(shù)文件和金屬有機(jī)框架材料晶體模型）
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7 LAMMPS分子力場(chǎng)文件創(chuàng)建及MOFs材料建模
7.1 介紹固體材料單晶包試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，掌握基本的材料幾何特征
7.2 利用MS軟件構(gòu)建MOFs材料單晶包模型和H2和CO2分子模型
7.3 講解分子作用勢(shì)能函數(shù)，學(xué)習(xí)編寫MS軟件中的力場(chǎng)參數(shù)文件（off文件）
7.4 簡(jiǎn)單介紹巨正則系綜Monte Carlo方法
7.5 利用Sorption模塊將H2和CO2分子插入到MOFs材料
7.6 編寫LAMMPS力場(chǎng)文件（frc文件），并通過lammps程序生成data文件
7.7 運(yùn)行能量最小化及體系的預(yù)松弛
7.8 模擬步驟：包括能量最小化NVT平衡，對(duì)研究目標(biāo)的性質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間軌跡平衡-輸出研究所關(guān)心的性質(zhì)。
實(shí)例操作：金屬有機(jī)框架（MOFs）儲(chǔ)氫和碳捕集模擬，計(jì)算密度分布，分子的MSD等性質(zhì)。
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第四天 下午
LAMMPS
高級(jí)
（分子篩納米膜分離H2/CO2混合氣體模擬）
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8 研究H2/CO2在ZIF-7膜材料中分離性能
——模擬文獻(xiàn)Science 346 (6215), 1356-1359的分離過程
8.1 利用MS軟件構(gòu)建ZIF-7膜材料單晶包
8.2 設(shè)計(jì)H2/CO2與ZIF-7體系模型，再現(xiàn)文獻(xiàn)“Science 346 (6215), 1356-1359”的實(shí)驗(yàn)過程。
8.3 自定義分子力場(chǎng)文件（frc文件），通過lammps程序生成data文件
8.4 運(yùn)行能量最小化及體系的預(yù)松弛
8.5 模擬步驟：包括能量最小化NVT平衡，對(duì)研究目標(biāo)的性質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間軌跡平衡-輸出研究所關(guān)心的性質(zhì)。
實(shí)例操作：VMD中查看可視化的動(dòng)態(tài)軌跡，計(jì)算密度分布，分子的MSD等，抽取軌跡的動(dòng)能、勢(shì)能、總能量等相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)軌跡進(jìn)行初步分析。
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專題二 ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算開發(fā)技術(shù)與應(yīng)用
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1. ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)概述
1.1. ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)的發(fā)展歷程和基礎(chǔ)
1.2. ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)分枝與詳解
1.3. ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域
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2. ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)入門
2.1. 所需輸入重要文件詳解包括 control, geo, ffield等文件
2.2. 結(jié)合實(shí)例，講解輸入文件命令行，輸出文件
2.3. ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)簡(jiǎn)單實(shí)例操作及結(jié)果查看
2.4. ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)運(yùn)行軟件安裝和配置(standalone ReaxFF,LAMMPS)
2.5. ReaxFF 反應(yīng)力場(chǎng)的選取和準(zhǔn)備
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3. 分子建模，可視與計(jì)算軟件
3.1. 建模軟件gview, material studio
3.2. 可視軟件molden, VMD, OVITO
3.3. ReaxFF計(jì)算軟件 standalone ReaxFF, LAMMPS
3.4 ReaxFF 特殊功能介紹：改變溫度體積，產(chǎn)生特定比例混合物，設(shè)置電荷，限制優(yōu)化和掃描，添加刪除分子，結(jié)果查看和分析等
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4. Lammps實(shí)例操作
4.1. LAMMPS運(yùn)行設(shè)置和后處理程序軟件ChemTraYzer等的安裝和配置
4.2. Lammps燃燒過程簡(jiǎn)單例子（模擬和分析）
4.3. LAMMPS高級(jí)算例：模擬化學(xué)摩擦過程（CMP）：建模，loading和shearing過程模擬，結(jié)果分析等
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第三天 上午
ReaxFF進(jìn)階實(shí)例
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5. ReaxFF進(jìn)階實(shí)例操作，理解計(jì)算模擬的過程及物理意義
實(shí)例操作：溶液中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移(JPCB,JPCL文獻(xiàn))
5.1. 建立初始模型：重點(diǎn)注意事項(xiàng)(minimization->nvt->compress->npt->nvt)
5.2. 輸入文件設(shè)置, 開啟輸出unfolded坐標(biāo)文件
5.3. 模擬步驟：能量最小化，壓縮，系綜平衡等
5.4. VMD查看結(jié)果分析：msd，擴(kuò)散系數(shù)，rdf，sdf, 質(zhì)子追蹤等
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第三天 下午
ReaxFF進(jìn)階實(shí)例
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實(shí)例操作：碳化硅表面石墨烯的生長(zhǎng)（Chem. Mater文獻(xiàn)）
5.5. 建模與輸入文件，表面選取與準(zhǔn)備
5.6. 熱分解法生長(zhǎng)石墨烯，刪除表面硅
5.7. cvd法生長(zhǎng)石墨烯，添加乙炔分子
5.8. 可視評(píng)估石墨烯質(zhì)量 （模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)與可視化）
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第四天 上午
ReaxFF高級(jí)實(shí)例
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6. 量子化學(xué)軟件CP2K入門
6.1. CP2K基本功能介紹
6.2. CP2K的下載和安裝
6.3. CP2K的結(jié)構(gòu)文件的建模
6.4. CP2K輸入文件講解和建立
6.5. CP2K輸出文件介紹和可視化轉(zhuǎn)化
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第四天 下午
ReaxFF高級(jí)實(shí)例
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7. CP2K結(jié)構(gòu)優(yōu)化、過渡態(tài)搜索和力場(chǎng)開發(fā)實(shí)例
7.1. CP2K研究有機(jī)分子在固體表面的吸附
7.2. CP2K過渡態(tài)計(jì)算以及結(jié)構(gòu)和能量提取
7.3. ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)開發(fā)所需文件詳解
7.4. 提取CP2K計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)ReaxFF訓(xùn)練集的構(gòu)建
7.5. ReaxFF力場(chǎng)驗(yàn)證
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專題三 微流控芯片建模分析技術(shù)與應(yīng)用
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了解Comsol Multiphysics的建模步驟與方法，熟悉基本操作流程
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建立二維及三維的通道流動(dòng)，熟悉通道流動(dòng)的建立過程
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建立被動(dòng)式微混合器的建模分析模型，熟悉多場(chǎng)耦合的原理和實(shí)施步驟
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以T型通道中水滴在油流中分離過程為例，實(shí)現(xiàn)液滴分離操作建模
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了解LBM的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、基本原理
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建立二維通道流動(dòng)，熟悉LBM的建模方法
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在LBM基礎(chǔ)上，結(jié)合IB實(shí)現(xiàn)IB-LBM程序框架
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構(gòu)建細(xì)胞的模型，利用IB-LBM實(shí)現(xiàn)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)模擬
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構(gòu)造不同的通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞分離模型的設(shè)計(jì)與模擬
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偽勢(shì)模型(SCMP& MCMP) 相分離程序?qū)崿F(xiàn)
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以相分離為例，逐個(gè)環(huán)節(jié)講解單組分多相流SCMP和多組分多相流MCMP的程序?qū)崿F(xiàn)
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在LBM基礎(chǔ)上，結(jié)合IB實(shí)現(xiàn)IB-LBM程序框架
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