空气式可变性能检查装置

脆性材料作为结构或功能部件被广泛应用于航空航天、电子器件和组织工程等领域。由于人工脆性材料对微裂纹和不易察觉的缺陷很敏感，在长时间的循环载荷作用下，材料很容易累积损伤产生疲劳裂纹，进而存在失效的风险。随着可折叠穿戴设备的发展，对具有高疲劳抗性的可变形功能材料的需求日益凸显。通过模仿典型的生物矿物材料如珍珠母、骨骼等的结构设计可以提升脆性材料疲劳抗性，但这常依赖于疲劳裂纹扩展过程中增韧行为，然而一旦裂纹开始扩展，就会对器件的性能产生不可逆的影响，因此寻找并开发新的耐疲劳结构模型对未来可变形功能材料的设计制备具有重要的科学意义和应用价值。中国科学技术大学俞书宏院士团队和吴恒安教授团队成功揭示了双壳纲褶纹冠蚌铰链内的可变形生物矿物硬组织的耐疲劳机制，提出了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的耐疲劳设计新策略，为未来耐疲劳结构材料的合理创制发展提供了新的见解。研究成果以“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata”为题，于6月23日发表在国际顶尖学术期刊《Science》上。审稿人评价称：“这份手稿展示了一个非常有趣的工作”、“这是一份令人兴奋的稿件。它集成了诸多表征技术来理解双壳纲铰链组织的显著疲劳抗性”、“这无疑激发了对生物复合材料的进一步研究，以设计抗疲劳性能增强的新材料”。同期《Science》观点栏目（Perspectives）以“A bendable biological ceramic”为题发表了评述（Science 2023, 380, 1216-1218），评述称“通过整合不同尺度的原理——从铰链的整体结构到单个晶体的原子结构——孟等人揭示了大自然如何主要从脆性成分中创造出抗疲劳、可弯曲、有弹性的结构。这些跨尺度原理要求在最精细的尺度上精确，而软体动物如此精确地沉积壳的细胞和分子机制是一个正在探索的领域”；“匹配生物精细控制对于对生物启发材料感兴趣的人类工程师来说是一个特别的挑战，正如开发模仿珍珠质强度和韧性的复合材料所面临的困难所证明的那样”；“尽管孟等人研究的力学性能与这种特殊生物体的需求相匹配，这些原理如何在更广泛的系统范围内得到完善，这是令人兴奋的前景。”论文共同第一作者为中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士研究生孟祥森，近代力学系周立川博士（现就职于合肥工业大学）、化学系刘蕾博士。我校俞书宏院士、吴恒安教授和茅瓅波副研究员为论文通讯作者。双壳纲动物褶纹冠蚌（Cristaria plicata）又称鸡冠蚌，是一种常见的淡水蚌类。为了满足生存需求（滤食、运动等），其外壳在一生中需要进行数十万次的开合运动，而连接两片外壳的铰链部位也会经历反复的受压和变形，表现出优异的耐疲劳性能。本工作中，研究人员揭示了铰链部位中的折扇形矿物硬组织所蕴含的跨尺度耐疲劳设计原理。从计算机断层扫描图（CT）和剖面光学照片可以看出，铰链可以分为两个不同的区域：外韧带(OL)和折扇形矿物硬组织(FFR)（图1，A和B）。研究人员首先观察了这两个区域在双壳开合过程中的运动行为（图1，D和E），并结合有限元分析(FEA)，明晰了不同区域所承担的力学角色。在闭合过程中，OL发生拉伸，承担主要的周向应力并储存大部分弹性应变能；FFR区域在周向弯曲变形，并在受限的径向变形下提供强有力的径向支撑用以固定OL（图1，F到H）。图1（A）褶纹冠蚌和截面照片；（B）铰链切片照片和CT重构图；（C）在正常开合和过载状态下的疲劳测试结果；（D）开合前后铰链各区域形状变化及其轮廓图；（E）有限元模型对应的开合前后的铰链各区域形状变化及其轮廓图；（F）铰链有限元分析模型示意图；（G）开合状态下铰链各区域周向应力分布；（H）开合状态下铰链各区域径向应力分布。研究人员对FFR在不同尺度上的观察发现，其具有跨尺度多级结构特征。在宏观尺度上，FFR的扇形外形能使其在OL和外壳之间实现有效的载荷传递。进一步的深入观察发现，FFR由弹性有机基质和嵌入其中的脆性文石纳米线组成。文石纳米线直径约为100-200纳米，线的长轴方向在形貌上和扇形的径向方向一致，在晶体学上纳米线沿002晶向取向（图2，A到H）。考虑到文石晶体在002晶向的压缩模量远大于其他晶向，这种微观形貌和晶体学取向上的一致性意味着FFR能有效地为OL的拉伸提供支撑（图2，I和J）。这一结果也通过压缩力学和FEA模拟进行了进一步的验证。此外，FEA模拟结果显示，这种微米尺度上的软硬复合微观结构在压缩、拉伸、剪切三种受力状态下能够进行协调变形，在这个过程中有机基质承担了大部分的压缩和剪切应变，极大地减少了材料内部的应力集中，从而避免了文石纳米线侧向断裂，降低了FFR发生疲劳损伤的可能性。图2（A）FFR在纵向上的自然断面扫描图；（B）FFR在横向上的自然断面扫描图；（C和D）FFR脱钙处理之后的扫描图；（E和F）文石纳米线中的孪晶结构透射电子显微图片；（G和H）文石纳米线沿长度方向上的晶体学特征；（I和J）整个FFR中纳米线在形貌上和晶体学上的取向分析示意图。从FFR的横截面观察，文石纳米线呈近似六边形，研究人员通过高分辨透射电子显微镜也在纳米线中发现了纳米孪晶结构，考虑到文石纳米线沿002方向生长，这一结构可能与文石晶体Pmcn空间群易形成（110）孪晶界密切相关。这种沿纳米线纵向方向的孪晶结构的存在，在纳米尺度上大大强化了纳米线抗弯曲断裂的能力（图2，E和F）。与典型的天然硬质生物矿物材料（如骨骼、牙釉质）以及人工材料（如金属、水凝胶）等相比，FFR所展现的特殊之处在于它能在承担较大周向变形的同时，保持长时间的结构功能的稳定。这项研究从宏观到微纳米尺度上揭示了FFR的跨尺度多级结构设计原则（图3）。图3 典型生物和人工结构材料的耐疲劳设计机制。FFR中所具备的跨尺度结构特征使其在可变形能力上明显优于典型的生物矿物如牙釉质和骨骼，与常见的人工弹性体材料相比，FFR也一定程度保持了其高硬度和刚度。这项研究揭示了含脆性基元的生物矿物材料在较大形变下的耐疲劳设计新机制，填补了国际上含脆性组元的仿生耐疲劳材料设计的空白，所提出的整合跨尺度结构特征与功能特性的设计策略，能够在不同尺度上充分发挥每种成分的固有特性，从而实现材料整体性能的优化。这种兼顾变形性和耐疲劳性的跨尺度设计原则有望为未来功能材料的仿生设计和创制提供崭新思路。该研究得到了国家重点研发计划、新基石科学基金会、国家自然科学基金重点项目和中国科学院青促会等项目的资助支持。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2038Featured by Science Perspectives:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5939

量子计算机与体育界的状元秀有什么共同点？两者都吸引了众多星探的关注。近日发表在《自然物理学》上的镜像电路方法，比传统测试更快、更准确，将帮助科学家开发出最有可能导致世界上第一台实用量子计算机的技术，大大加速医学、化学、物理学、农业和国家安全研究。量子计算机是可比超级计算机更快地执行某些任务的实验机器，就像年轻的运动员一样，不断受到评估，因为它们有朝一日有可能成为改变游戏规则的技术。现在，“科学家星探”有了他们的第一个工具，来对一项前瞻性技术执行现实任务的能力进行排名，揭示其真正的潜力和局限性。美国桑迪亚国家实验室设计的一种新型基准测试，可预测量子处理器无误运行特定程序的可能性。此前，量子计算界的标准做法是仅使用随机、无序的程序来衡量性能。但新研究表明，传统的基准测试低估了许多量子计算错误。这可能会导致人们对量子机器的强大或有用程度产生不切实际的期望。该论文称，镜像电路提供了一种更准确的测试方法。镜像电路是一种计算机程序，它执行一系列计算，然后将其反转。新的测试方法还可以节省时间，这将有助于研究人员评估日益复杂的机器。大多数基准测试通过在量子机器和传统计算机上运行相同的指令集来检查错误。如果没有错误，结果应该匹配。由于量子计算机执行某些计算的速度比传统计算机快得多，因此研究人员可能会花很长时间等待传统计算机完成。然而，对于镜像电路，输出应始终与输入或一些有意的修正相同。因此，科学家无需等待，而是可以立即检查量子计算机的结果。桑迪亚量子性能实验室计算机科学家蒂莫西普罗科特团队发现，随机测试忽略或低估了错误的复合影响。当错误加剧时，它会随着程序的运行而变得更糟，就像一个走错路线的运动员，随着比赛的进行，离他应该去的地方越来越远。通过模拟功能程序，研究人员发现最终结果往往比随机测试显示的差异更大。普罗科特说：“我们的基准测试表明，当前量子计算机的性能在结构化程序上的可变性比之前已知的要大得多。”镜像电路方法还让科学家们更深入地了解如何改进当前的量子计算机。普罗科特说：“通过将我们的方法应用于当前的量子计算机，我们能够了解很多关于这些特定设备所遭受错误的信息——因为不同类型的错误对不同程序的影响程度不同。这是第一次在多量子位处理器中观察到这些效应。我们的方法是第一个大规模探索这些误差效应的工具。”

Overview根据标准 DIN EN ISO 8655-2，活塞式移液器等体积测量仪必须定期检查，至少每年检查一次。用户可根据使用频率、用户数量、移液器所移取液体的腐蚀性以及既定的可接受最大允许误差等，规定更短的时间间隔。因此，对于必须按照标准DIN EN ISO 8655工作的所有实验室，移液器必须进行定期检查。移液器检查可通过光度法、滴定法或重量法对活塞式移液器进行检查，DIN EN ISO 8655第 6 部分描述了重量法的先决条件、操作流程及评估方法。每个测试可包括多达 30 次移液并对蒸发造成的质量损失、质量与体积的转换、系统误差和随机误差等进行计算。可根据DIN EN ISO 8655第 2 部分列出的允许误差，用计算出的系统误差和随机误差对移液器进行合格评定。由于移液步骤及计算数量繁多，在没有用户指南和自动记录测量值及计算结果的情况下，测试流程和评估很容易出错。天平+QApp，检查更轻松！CubisII MCA 天平配有蒸发阱以及 QApp 移液器检查软件，为根据DIN EN ISO 8655检查活塞式移液器提供了便捷的解决方案。该测试应在环境稳定的无风室内进行，测量期间必须使用温度计、气压计和湿度计记录温度、气压和相对湿度。在QApp软件中，可输入由测量环境条件设备测量的数据，或者由连接到天平的气候模块自动测量和记录温度、气压和相对湿度。用于移液器检查的蒸发阱先决条件根据DIN EN ISO 8655第6部分附录A中的表A1，用温度和气压确定z因子。将测量的重量值乘以z因子，即可将重量值转换为体积值。根据标准DIN EN ISO 8655，还必须记录时间。时间由内部的实时时钟测定并记录，该时钟可以定期与 NTP时间服务器同步。QApp移液器检查软件可提供移液器数据库及各种赛多利斯移液器数据。大体上，要确定移液器的ID、制造商、序列号和标称容量，还必须选择检查间隔、移液器类型及移液器形状等附加设置。根据DIN EN ISO 8655 第2部分中，移液器分为：活塞移动式移液器（D型）。空气正压式移液器（A型） ，又分为固定容量和可变容量式。根据DIN EN ISO 8655 第2部分中的表1，按移液器标称容量定义了最大允许系统误差和随机误差，测试程序取决于该移液器是固定容量还是可变容量。操作流程在开始测试程序之前，可以输入并记录移液器吸头制造商、产品编号及批号。在移液步骤中，用户在可显示允许误差的允差条引导下完成该过程。允差条的外部极限和内部极限分别代表最大允许系统误差（Es）和最大允许随机误差（CV）。如果测量的重量值在两个限值内，允差条显示为绿色如果重量值介于两个限值之间，允差条显示为黄色如果重量值超出两个限值，允差条显示为红色移液器检查应用中的允差条左：绿色表示测量的重量值在允许误差范围内右：如果测量的重量值超出允许误差，则显示红色评估方法测量程序完成后，软件将根据DIN EN ISO 8655第 6 部分中给出的方程式进行计算。对于每个测试容量，测得的系统误差和随机误差以μL为单位表示计算绝对值，用%表示计算相对值。QApp软件将根据测试结果对每个测试容量进行评估，判定测试通过或失败，并创建条形图。在条形图中，汇总了各个测量的结果，每根条形图根据测量值是否在允许公差范围内显示为绿色或红色。测试结果保存在数据库中，可以在软件中查看并打印综合报告。左：测量容量的统计报告 右：带计算值的条形图Summary赛多利斯 QApp 移液器检查软件，可按照移液器的类型，根据DIN EN ISO 8655 自动选择正确的测试程序，在整个过程中提供清晰的用户指南，记录有关测量装置和所用移液器吸头的信息，自动计算和评估结果，将移液器信息及其测试结果保存在数据库中，并创建包含所有必要信息的测试报告。Cubis II更多QApp应用扩展 满足不同行业需求