攻克材料界關(guān)鍵難題！燕大團隊研究成果接連登上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)國家重點實驗室高壓科學(xué)中心田永君院士團隊與國內(nèi)外學(xué)者合作，采用功能基元序構(gòu)的設(shè)計策略，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
研究團隊利用洋蔥結(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)，每個納米片由相對轉(zhuǎn)動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14%，比傳統(tǒng)陶瓷塊材高出一個數(shù)量級。令人驚奇的是，這種轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷在強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~8%，打破了結(jié)構(gòu)材料強度和塑性難以同時提升的傳統(tǒng)認(rèn)知。這種強塑性提升的協(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個數(shù)量級；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、位錯等的傳播，將變形局限在單個納米片的內(nèi)部。從而，突顯了本征變形能力的貢獻而削弱了晶界的負面作用。
轉(zhuǎn)角層狀氮化硼陶瓷不僅具有高強度和高塑性，還具有高的能量吸收能力和抗疲勞特性，有望進一步研制出高性能的密封件、阻尼元件、防護裝甲等產(chǎn)品。原理上講，該研究的材料設(shè)計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，為進一步研發(fā)其他體系的塑性陶瓷提供了啟示。
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分子動力學(xué)模擬入門理論
——掌握LAMMPS的in文件中實現(xiàn)這些功能的命令
系綜理論、主要算法介紹、單位制
積分步長的選取、溫度和壓力控制
周期性邊界條件以及力場簡介
分子動力學(xué)模擬流程
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1 LAMMPS的基礎(chǔ)入門
——初識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)合實例，講解in文件常用命令
1.4 data文件格式
1.5 LAMMPS常見錯誤解決途徑
☆實例操作：
運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
進階
（石墨烯、金屬材料模擬專題）
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2 LAMMPS進階實例操作，理解模擬對象的物理意義
——從簡單例子走向文獻模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
☆實例操作：
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)、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
進階
（納米流體模擬專題）
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3 LAMMPS進階實例操作，理解模擬對象的物理意義
——從簡單例子走向文獻模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
☆實例操作：
3.1 把二維couette和poiseuille流動擴展成三維模型
3.2 建立三維管道內(nèi)的poiseuille流動
3.3 進行石墨烯通道內(nèi)的Couette流動和Poiseuille流動模擬
3.4 調(diào)節(jié)通道表面電荷性質(zhì)、親疏水性質(zhì)，分析其對流動性質(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
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第二天 下午
LAMMPS
進階
（熱傳導(dǎo)模擬專題）
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4 LAMMPS進階實例操作，理解模擬對象的物理意義
——從簡單例子走向文獻模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
☆實例操作：
4.1 理解導(dǎo)熱系數(shù)意義
4.2 掌握lammps計算導(dǎo)熱系數(shù)的幾種方法
4.3 碳納米管等導(dǎo)熱系數(shù)的模擬計算
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第三天 上午
LAMMPS
進階
（多成分體系模擬專題）
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5 LAMMPS進階實例操作，理解模擬對象的物理意義
——從簡單例子走向文獻模型，舉一反三提高學(xué)習(xí)效率
☆實例操作：
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
進階
（金屬、半導(dǎo)體材料的輻照模擬）
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6 離子輻照對石墨烯、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動能、位移隨時間變化
6.3 點缺陷結(jié)構(gòu)可視化
6.4 點缺陷的數(shù)量隨時間變化
6.5 點缺陷的空間分布及演化過程
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備選內(nèi)容，根據(jù)課堂進度和學(xué)員情況決定
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VMD、OVITO、msi2lmp等有機小分子建模，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
（自建分子力場參數(shù)文件和金屬有機框架材料晶體模型）
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7 LAMMPS分子力場文件創(chuàng)建及MOFs材料建模
7.1 介紹固體材料單晶包試驗數(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 講解分子作用勢能函數(shù)，學(xué)習(xí)編寫MS軟件中的力場參數(shù)文件（off文件）
7.4 簡單介紹巨正則系綜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力場文件（frc文件），并通過lammps程序生成data文件
7.7 運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，對研究目標(biāo)的性質(zhì)進行長時間軌跡平衡-輸出研究所關(guān)心的性質(zhì)。
實例操作：金屬有機框架（MOFs）儲氫和碳捕集模擬，計算密度分布，分子的MSD等性質(zhì)。
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第四天 下午
LAMMPS
高級
（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H2/CO2與ZIF-7體系模型，再現(xiàn)文獻“Science 346 (6215), 1356-1359”的實驗過程。
8.3 自定義分子力場文件（frc文件），通過lammps程序生成data文件
8.4 運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，對研究目標(biāo)的性質(zhì)進行長時間軌跡平衡-輸出研究所關(guān)心的性質(zhì)。
實例操作：VMD中查看可視化的動態(tài)軌跡，計算密度分布，分子的MSD等，抽取軌跡的動能、勢能、總能量等相關(guān)數(shù)據(jù)，對軌跡進行初步分析。
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專題二 ReaxFF反應(yīng)力場計算開發(fā)技術(shù)與應(yīng)用
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1. ReaxFF反應(yīng)力場概述
1.1. ReaxFF反應(yīng)力場的發(fā)展歷程和基礎(chǔ)
1.2. ReaxFF反應(yīng)力場參數(shù)分枝與詳解
1.3. ReaxFF反應(yīng)力場的應(yīng)用領(lǐng)域
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2. ReaxFF反應(yīng)力場基礎(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)合實例，講解輸入文件命令行，輸出文件
2.3. ReaxFF反應(yīng)力場簡單實例操作及結(jié)果查看
2.4. ReaxFF反應(yīng)力場運行軟件安裝和配置(standalone ReaxFF,LAMMPS)
2.5. ReaxFF 反應(yīng)力場的選取和準(zhǔn)備
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3. 分子建模，可視與計算軟件
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實例操作
4.1. LAMMPS運行設(shè)置和后處理程序軟件ChemTraYzer等的安裝和配置
4.2. Lammps燃燒過程簡單例子（模擬和分析）
4.3. LAMMPS高級算例：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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5. ReaxFF進階實例操作，理解計算模擬的過程及物理意義
實例操作：溶液中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移(JPCB,JPCL文獻)
5.1. 建立初始模型：重點注意事項(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，擴散系數(shù)，rdf，sdf, 質(zhì)子追蹤等
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實例操作：碳化硅表面石墨烯的生長（Chem. Mater文獻）
5.5. 建模與輸入文件，表面選取與準(zhǔn)備
5.6. 熱分解法生長石墨烯，刪除表面硅
5.7. cvd法生長石墨烯，添加乙炔分子
5.8. 可視評估石墨烯質(zhì)量 （模擬結(jié)果統(tǒng)計與可視化）
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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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7. CP2K結(jié)構(gòu)優(yōu)化、過渡態(tài)搜索和力場開發(fā)實例
7.1. CP2K研究有機分子在固體表面的吸附
7.2. CP2K過渡態(tài)計算以及結(jié)構(gòu)和能量提取
7.3. ReaxFF反應(yīng)力場開發(fā)所需文件詳解
7.4. 提取CP2K計算結(jié)果實現(xiàn)ReaxFF訓(xùn)練集的構(gòu)建
7.5. ReaxFF力場驗證
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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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建立被動式微混合器的建模分析模型，熟悉多場耦合的原理和實施步驟
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以T型通道中水滴在油流中分離過程為例，實現(xiàn)液滴分離操作建模
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在LBM基礎(chǔ)上，結(jié)合IB實現(xiàn)IB-LBM程序框架
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構(gòu)建細胞的模型，利用IB-LBM實現(xiàn)細胞運動模擬
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構(gòu)造不同的通道結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多細胞分離模型的設(shè)計與模擬
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偽勢模型(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實現(xiàn)IB-LBM程序框架
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