计算模拟研究

基于量子力学的原子层级模拟计算是材料学中一种直观有效且常用的研究方法，它可以研究材料的空间原子结构、电子结构，以及由此带来的各种宏观物理、化学性质。长期以来，材料计算模拟的发展受到计算尺度的严重制约，例如描述理想周期结构、完美晶格的密度泛函理论仅可求解百原子量级的体系。 　　然而真实的材料体系是不完美并且非常复杂的，材料中存在缺陷、晶畴界、表界面、非晶无序等结构特征，处于非平衡态的材料体系同时具有动力学演化行为，这些复杂体系的特征行为体现在更大的时间和空间尺度，因此需要大尺度的模拟计算才能描述。基于传统物理“规则驱动”的计算技术已难以从理论框架突破尺度限制。 　　针对这一问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队利用并发展了AI+材料计算模拟方法。基于“数据驱动”的AI是从数据和观测值出发，寻找数据之间的特征和关系，从而发现一些定理和规律。AI与科学的结合带来了新的科研范式，给材料计算模拟带来全新的思路和视角。Deep-Potential(DP)是一种具有代表性的AI技术，它运用深度神经网络技术，采用大量小原胞(数十个原子)的密度泛函理论计算数据作为训练集，训练完成的网络可以高效准确地预测出大原胞(最高可计算百万个原子)的总能以及原子受力，从而实现大时间空间尺度(微米/纳秒)的动力学模拟。 　　钟志诚研究员带领研究小组近期开展了一系列DP相关的研究：1)通过研究SrTiO3的结构相变，发现了DP模型具有超高精度，与密度泛函理论计算得到的能量误差可达到meV/atom以内[Phys. Rev. B 105,064104(2022)]；结合DP势函数和位错解析理论，在大尺度下准确描述Cu的位错芯结构以及位错间的长程弹性相互作用[Comput. Mater. Sci. 218，111941 (2023)]。上述两个工作证实了DP在大尺度下的高精度以及描述位错等复杂结构的有效性。2)利用DP，解释了ZrW2O8的负热膨胀现象以及压力诱导的非晶现象[Phys. Rev. B 106, 174101 (2022)]，该工作表明DP势函数能够有效描述复杂动力学行为以及非晶无序结构。3)晶格量子效应对热力学等性质的求解至关重要，而却往往因为其较高的计算成本在模拟计算中往往被忽略。团队以SrTiO3的量子顺电现象为例，提出了结合DP+QTB高效地研究材料中的晶格量子效应方案[Phys. Rev. B 106, 224102 (2022)]。 　　以上工作为未来材料计算模拟研究提供了全新范式，为复杂材料体系的高精度大尺度模拟提供了具体思路。此外，结合AI+材料计算模拟进行大尺度及复杂效应的计算，有望解决一系列复杂材料体系中的微观机制、宏观性能等问题。例如多元体系中的高熵合金、固液界面；机制复杂的摩擦、张力、非晶、表面重构；化学反应的表面吸附、催化、燃烧等问题。 　　以上工作参与者包括中科院宁波材料所博士后何日、邓凤麟，博士研究生吴宏宇，合作者包括南京大学物理学院卢毅教授，西湖大学理学院刘仕教授，深势科技首席科学家张林峰博士。以上工作得到了国家重点研发计划(2021YFA0718900和2022YFA1403000)、国家自然科学基金(11974365和12204496)、中国科学院前沿科学重点研究计划(ZDBS-LY-SLH008)以及王宽诚教育基金(GJTD-2020-11)的支持。图1 (a) 通过密度泛函理论所计算的大量空间构型(约百原子级别)的能量和力；(b)DP训练所得的深度神经网络；(c)和(d)训练好的深度神经网络能应用于预测超胞(约百万原子级别)的能量和受力，其精度和密度泛函理论一致图2 课题组近期各工作。左上：DP势函数的精度展示；右上：DP方法描述位错间对数形式的长程弹性相互作用；左下：ZrW2O8的压力诱导非晶现象；右下：DP+QTB预测的SrTiO3结构相变

国际著名学术期刊《自然》最新发表一篇量子物理学论文，首次报道了利用一台量子处理器对全息虫洞进行量子“模拟”。这一演示使用的是谷歌(Google)的悬铃木(Sycamore)处理器，标志着距离在实验室研究量子引力的可能性又进了一步。该论文介绍，广义相对论描述的是高能或高物质密度的物理世界，比如天体物理对象。量子力学描述的则是原子和亚原子水平上的物质。量子引力是一种假设的物理理论，描述的是与这两类情况都相关的对象，比如黑洞的内部。不过，量子力学与广义相对论在根本上是不相容的，因此对于量子引力的理论目前尚未达成共识。而全息原理是连接不同理论的一种方式，或有助于调和量子力学和广义相对论，它利用一个受限的物理系统将相对论解释为量子物理学的扩展。本次研究中，根据全息原理，论文通讯作者、美国加州理工学院玛丽亚斯皮罗普鲁(Maria Spiropulu)和同事与合作者设计了一个简单系统，用来模拟一个全息虫洞，其经过适当设计的量子系统的性质符合引力系统所该有的性质。该量子模拟利用一台量子计算机进行，有一个9量子比特的电路。量子比特在这台处理器上传输时的动力学特征与量子比特穿过可穿越虫洞时所该有的动力学特征相同。

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、奥地利因斯布鲁克大学、意大利特伦托大学的研究人员合作，在超冷原子量子模拟研究中取得进展。科研人员使用超冷原子量子模拟器，对格点规范场理论中非平衡态过渡到平衡态的热化动力学进行了模拟，首次在实验上证实了规范对称性约束下量子多体热化导致的初态信息“丢失”，取得了利用量子模拟方法求解复杂物理问题的重要进展。相关研究成果发表在《科学》上。规范场理论是现代物理学的基础，如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等是满足特定群对称性的规范场理论，在粒子物理学、宇宙学以及凝聚态物理学等领域得到广泛应用。由于其求解复杂度高，规范场理论体系中仍有许多开放问题。其中，规范场理论描述的物理系统是否可以从远离平衡态经过演化达到热平衡备受关注。该问题的解决，有助于理解高能物理中重核碰撞的问题，也将为现代宇宙学中大爆炸早期物质的形成提供了物理解释。但是，使用经典计算机求解复杂的规范场理论是公认难题，量子模拟器为解决该问题提供了新路径。近年来，科学家尝试用离子阱、超冷原子气体、Rydberg原子阵列和超导量子比特等体系对格点规范场理论开展量子模拟研究。然而，由于格点规范理论中相互作用形式复杂，并要求物理系统始终处在局域规范对称性约束条件下，对格点规范场理论热化动力学的实验模拟造成了困难，因而还未在实验上实现。为解决量子模拟器中相干调控的粒子数太少和无法保证规范对称性约束的两个主要问题，中国科大科研人员开发了独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等量子调控和测量技术，在超冷原子量子模拟器中提出并实现了光晶格中原子的深度制冷，解决了量子模拟器温度过高、缺陷过多的问题，实验制备了近百个原子级别的规模化量子模拟器【Science 369, 550 (2020)】；首次实现了利用大规模量子模拟器对格点规范场理论量子相变过程的实验模拟，验证了过程中的规范不变性【Nature 587, 392 (2020)】。在上述研究基础上，通过实验和理论结合，该团队将系统制备到远离平衡的初态，首次实验研究了规范对称性约束对量子多体系统热化动力学的影响，并观测到具有相同守恒量的不同初态热化到同一个平衡态的过程，验证了热化过程造成的量子多体系统初态信息的“丢失”，建立了规范场理论早期非平衡动力学与最终热平衡态之间的联系，在使用规模化的量子模拟器求解复杂物理问题的道路上取得了重要进展。未来，该团队将进一步使用量子模拟方法研究具有其他群对称性的、更高空间维度的规范场理论模型，以及真空衰变、动态拓扑量子相变等物理难题。《科学》杂志审稿人对此给予高度评价，认为该研究为超冷原子模拟格点规范场理论这一领域的发展做出了重要贡献，代表了量子模拟研究领域的前沿。研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。论文链接

量子霍尔效应是凝聚态物理学中的基本现象。科学家发展了拓扑能带理论来研究此类拓扑物态，发现了量子霍尔系统的能带结构和系统的边界态密切相关即存在体相与边缘的对应，并利用陈数（Chern number）来区分不同的拓扑结构，以陈绝缘体来描述相关拓扑物态。陈绝缘体材料可通过第一性原理计算预测以及实验合成并检测，过去几年出现了系列创新性成果，有望发展出具有实用价值的器件。随着量子系统调控技术的发展，研究利用各种人工可控量子系统来模拟陈绝缘体并揭示其性质。超导量子计算系统具有运行稳定、通用性强的优势，将是模拟陈绝缘体的理想平台。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心，与北京量子信息科学研究院、南开大学、华南理工大学、日本理化学研究所等合作，利用集成有30个量子比特的梯子型量子芯片，实现了具有不同陈数的多种陈绝缘体的模拟，并展示了理论预测的体边对应关系。该团队制备了高质量的具有30比特的量子芯片，在实验中精确控制其量子比特之间的耦合强度，并降低比特间串扰，（图1、2），实现了一维和梯子型比特间耦合的构型。 该团队设计模拟方案，将二维陈绝缘体格点模型的一个维度利用傅里叶变换映射为人工控制相位，从而用一维链状量子比特来实现其模拟（图3）。 基于同样的思想，双层二维陈绝缘体则可以利用两个一维链状平行耦合，形成梯子型比特间耦合的量子芯片实现，而人工维度相位控制还可实现双层陈绝缘体不同的耦合方式。这样便实现了不同陈数的陈绝缘体。该工作通过激发特定量子比特、测量不同本征态能量的方案，直接测量拓扑能带结构（图4）并观测系统拓扑边界态的边界局域的动力学特征，在超导量子模拟平台证实了拓扑能带理论中的体边对应关系（Bulk-edge correspondence）（图5）。此外，利用全部30个量子比特，在超导量子模拟平台上通过模拟双层结构陈绝缘体，实验上首次观察到具有零霍尔电导（零陈数）的特殊拓扑非平庸边缘态（图6）。此外，实验上探测到具有更高陈数的陈绝缘体。该研究通过精确控制超导量子比特系统及读出的技术方案，实现对量子多体系统拓扑物态性质的复现与观测，并表明30比特梯子型耦合超导量子芯片的精确可控性。相关研究成果以Simulating Chern insulators on a superconducting quantum processor为题，发表在《自然-通讯》【Nature Communications 14,5433 (2023)】上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、北京市自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。图1. 30比特梯子型量子芯片耦合强度信息。（a）15比特实验中测量到的量子比特间（最近邻和次近邻）的耦合强度信息。（b）30比特实验中测量到的量子比特间（最近邻、次近邻和对角近邻）的耦合强度信息。图2. Z串扰矩阵。Z串扰系数矩阵，每个元素代表着当给横轴比特施加1 arb.units幅度的 Z方波时，纵轴比特感受到的方波幅度，后续将根据该系数矩阵进行Z方波矫正。图3. 30比特梯子型量子芯片以及映射AAH模型的实验波形序列。（a）超导量子处理器示意图，其中30个量子比特构成了梯子型结构。（b）通过在y轴进行傅里叶变换，将二维霍夫施塔特（Hofstadter）模型映射为一系列一维不同配置的 Aubry-André-Harper (AAH) 模型的集合。（c）通过改变合成维度准动量Φ用以合成一系列AAH模型的量子比特频率排布，其中b=1/3。（d、e）用以测量动力学能谱（d）和单粒子量子行走（e）的波形序列。图4. 动力学光谱法测量具有合成维度的二维陈绝缘体的能谱。（a）对应于Q8的随时间演化的数据，其中b=1/3，Δ/2π=12MHz，Φ=2π/3。（b）利用15个量子比特响应函数得到的傅里叶变换振幅的平方。（c）沿着比特维度将傅里叶变换振幅的平方求和。（b）利用15个量子比特参数数值计算求解的二维陈绝缘体的能带结构，其中，b=1/3，Δ/2π=12MHz。（e、f）对于不同的Φ，实验（e）和数值模拟（f）得到的能谱对比。图5. 拓扑边界态的动力学特征以及拓扑电荷泵浦。（a1-3）分别激发Q1（a1）、Q8（a2）、Q15（a3）测量到的激发态概率的时间演化，其中，b=1/3，Δ/2π=12 MHz，Φ=2π/3。（b1-3）分别利用Q1（b1）、Q8（b2）、Q15（b3）作为目标比特测量得到的能谱部分信息。（c1-c3）激发中间比特Q8，测量得到的对应于向前泵浦（c1），不泵浦（c2）和向后泵浦（c3）的激发态概率演化，其中，Δ/2π=36MHz，初始Φ0= 5π/3。（d）根据图（c1-c3）计算得到的质心随着泵浦周期T的变化。图6. 利用全部30个量子比特模拟双层陈绝缘体。（a、b）实验测量的对应于相同Δ↑(↓)/2π=12 MHz（a）和相反 Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12 MHz（b）周期性调制的两条AAH一维链的构成的双层陈绝缘体的能谱，黑色虚线为对应的理论预测值，其中，b=1/3。霍尔电导定义为对所有被占据能带的陈数Cn的求和：σ= ∑nCn ，其中定义e2/h=1。（c、d）选择Q1,↑和Q1,↓为目标比特测量到的对应于Δ↑(↓)/2π=12 MHz（c）和相反Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12 MHz。（d）周期性调制系统的能谱的部分信息。（e-g）当激发边界比特（Q1,↑ 或 Q1,↓），测量到的对应于Δ↑(↓)/2π=0 MHz（e），Δ↑(↓)/2π=12 MHz（f）和 Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12 MHz（g）的占据概率时间演化。

作者：甘露雨 1,2 陈汝颂 1,2潘弘毅 1,2吴思远 1,2禹习谦 1,2 李泓 1,2第一作者：甘露雨（1996—），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池安全性，E-mail：ganluyu@qq.com；通讯作者：禹习谦，研究员，研究方向为高比能锂电池关键材料、电池先进表征与失效分析，E-mail：xyu@iphy.ac.cn。单位： 1. 中国科学院物理研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学材料科学与光电技术学院， 北京 100049DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0047摘 要 作为新一代电化学储能体系，锂离子电池在消费电子产品、交通动力系统、电网储能等领域具有重要的应用价值。然而，在锂离子电池的商业化进程中，安全性事故时有发生，影响了锂离子电池的大规模应用。本文从电池安全性的三个研究尺度：材料、电芯、系统，综述了与之对应的重要研究方法，其中每个尺度均包括基于物理样品的实验方法和基于计算机数学模型的模拟方法。本文介绍了这些方法的基本原理，通过典型案例展示了这些方法在安全性研究中的适用场景和作用，并探讨了实验和模拟方法之间的联系，着重介绍了材料热分析、材料加热过程中结构分析、电芯加速度量热分析、电芯安全性数值模拟等方法。基于对多尺度研究策略的系统综述，认为安全性研究需要在各个尺度联合同步开展。最后，展望了下一代锂电池，如固态电池、锂金属电池等，可能面临的电池安全性问题。这些新体系的安全性研究仍处于早期，其材料和验证型电芯的安全性研究是当前阶段值得关注的重要课题。关键词 锂离子电池；安全性；实验方法；数值模拟；固态电池；锂金属电池锂离子电池的研究始于1972年Armand等提出的摇椅式电池概念，商业化始于1991年SONY公司推出的钴酸锂电池，经历超过三十年的迭代升级，已经成熟应用于消费电子产品、电动工具等小容量电池市场，并在电动汽车、储能、通信、国防、航空航天等需要大容量储能设备的领域中展现出了巨大的应用价值。然而，自锂离子电池诞生开始，安全性便一直是限制其使用场景的重要问题。早在1987年，加拿大公司Moli Energy基于金属锂负极和MoS2正极推出了第一款商业化的金属锂电池，该款电池在1989年春末发生了多起爆炸事件，直接导致了公司破产，也促使行业转向发展更稳定地使用插层化合物作为负极的锂离子电池。如图1所示，锂离子电池进入消费电子领域后，多次出现了因电池火灾隐患而开展的大规模召回计划，2016年韩国三星公司的Note7手机在全球发生多起火灾和爆炸事故，除了引起全球性的召回计划外，“锂电池安全性”再次成为广受关注的社会话题。在电动交通领域，动力电池的安全性事故伴随着新能源汽车销售量的提升逐渐增加，据统计，中国在2021年有报道的电动车火灾、燃烧事故超过200起，电动汽车安全性成为消费者和电动车企最关心的问题之一。在储能领域，韩国在2017—2021年期间发生了超过30起储能电站事故，2021年4月16日北京大红门储能电站爆炸事故除导致整个电站烧毁外还造成2名消防员牺牲、1名员工失踪。随着锂离子电池的应用场景日益扩大，其安全性在工业界和学术界均引发了广泛的讨论和研究。图1 锂离子电池近年引起的安全事故在锂电池发展的早期阶段，产业界和学术界更关注锂电池发生安全性事故的本质原因，基于长期的认识积累，锂电池发生安全事故的本质可以总结为：电池在过充、过热、撞击、短路等异常使用条件下温度异常升高，引发内部一系列化学反应，引起电池胀气、冒烟、安全阀打开，同时这些反应会大量释放热量使整个电池温度进一步升高，最终各个化学反应剧烈发生，电池温度不可控地迅速上升，引起燃烧或爆炸，导致严重的安全事故，这一过程也被称为电池的“热失控”。电池从异常升温到热失控过程中存在多个重要的化学反应，它们与温度的对应关系如图2所示。图2 锂离子电池热失控的诱发机制随着锂离子电池的广泛应用，关于锂离子电池安全性的研究逐渐深入，从早期简单的描述现象和定性预测，发展为在多个尺度、采用多种手段研究安全性机理，基于精准测量和数值化模型准确预测电池安全性表现，最终提出应用化解决方案的综合性研究策略。如图3所示，目前对于电池安全性的研究一般从理解锂离子电池电芯的热行为出发，包括利用各类滥用条件测试确定电池的安全使用极限和失效表现，利用绝热量热等手段具体分析电池的热失控行为和特征温度，以及利用热失控数值模拟方法模拟电池的热失控表现；在认识电芯热行为的基础上，需要深入材料本质，利用热分析、物质结构和化学成分分析、理论计算等方法理解电芯发生热失控在材料层面的反应机制，从而为设计制造高安全性的电池提供基础理论的指导；此外，电芯作为电池系统的基础，其热失控行为的精准测量和准确模拟也为在系统层面设计更高安全性的电池系统和管理预警方案提供了理论指导。本文从材料热稳定性、电芯热安全性和大型电池系统热安全性三个尺度介绍安全性研究策略，着重介绍几种实验和模拟方法。基于商用体系锂离子电池的研究策略和成果，进一步探讨了这些方法对于产学研各界研发下一代锂电池所具有的重要意义。图3 锂离子电池安全性研究策略1 材料热稳定性研究锂离子电池发生热失控的根本原因是电池中的材料在特定条件下不稳定，从而发生不可控的放热反应。目前商业化使用的电池材料中，与安全性关系最密切的主要是充电态(脱锂态)过渡金属氧化物正极、充电态(嵌锂态)石墨负极、碳酸酯类电解液和隔膜，其中前三者在高温下均不稳定且会发生相互作用，在短时间内释放大量的热量，而现行常用的聚合物隔膜则会在140～150 ℃熔融皱缩，导致电池中的正负极直接接触，以内短路的形式快速放热。研究人员自20世纪末开始进行了大量材料热稳定性的研究工作，发展了以热分析认识材料热行为，结合形貌、结构、元素成分和价态表征综合研究内在机理的研究方法。近年来计算材料学的发展也为从原子尺度模拟预测材料的稳定性提供了新的方法和手段。1.1 热分析方法热分析是最直接和直观认识材料热行为的方法，指在一定程序控温(和一定气氛)下，测量物质的某种物理性质与温度或时间关系的一类技术。对于电池材料来说，一般关注其质量、成分、吸放热行为随温度的变化关系。质量与温度的关系可通过热重分析获得，吸放热与温度的关系可通过差示扫描量热法获得，TG和DSC可以设计在同一台仪器中同步测试，该种方法又被称为同步热分析。TG、DSC、STA等仪器通常采用线性升温程序，通过热天平、热流传感器等记录样品的质量、吸放热变化，由于发展时间较早，测试技术和设备工程化水平较为成熟，已成为认识材料稳定性最重要的测试手段之一。基于热分析结果可以确定材料发生相变、分解或化学反应的起始温度、反应量和放热量，但在锂离子电池中，往往更关心充电态材料在电解液环境下的稳定性和反应热。良好的热稳定性是电池材料进入应用的必要条件，而产热量和产热速度则影响电池热失控的剧烈程度。用于常规热分析样品的坩埚一般为敞口氧化铝材质或开孔的铝金属材质，为了研究材料在易挥发电解液中的热表现，需要使用自制或设备厂商专门提供的密封容器。Maleki等通过STA系统研究了钴酸锂/石墨圆柱电池中各种材料的热分解行为，由于电解液采用高沸点的EC溶剂，所以仅在敞口容器中便可以测试，研究发现全电池截止电压4.15 V时，脱锂态钴酸锂在178 ℃发生分解，产生的氧气和电解液反应释放大量热量，释放的能量达到407 J/g，嵌锂态负极的SEI会优先分解，温度在125 ℃之前，之后会出现持续的放热反应，释放能量为697 J/g，而当负极发生析锂后释放能量会上升到827 J/g，这一结论有力支持了近年来析锂电池安全性下降的报道。Yamada等利用DSC确认了充电态磷酸铁锂(LiFePO4)的稳定性很好，与电解液的反应温度大于250 ℃，放热量仅为147 J/g，显著低于层状氧化物材料。Noh等利用密封容器系统研究了不同Ni含量的三元正极材料Li(NixCoyMnz)O2，比较热分析结果发现脱锂态三元材料的热稳定性与Ni含量呈现负相关性，且在x0.6之后加速下降。材料经过改性后，其稳定性需要通过热分析进行确认，研究人员基于DSC发现核壳浓度、包覆等方法均能不同程度地提高正极材料的热稳定性。需要注意的是，热分析的数据质量与实验条件、样品制备方法密切相关，目前并没有严格一致的测试规范，文献中不同单位之间的测试结果横向对比性很差，很多电池材料的热稳定性尚缺乏准确定量的结论。除了DSC、TG外，还有一类特殊的热分析方法是利用加速度量热仪研究反应的起始温度。与常规热分析采用线性升温不同，ARC使用的升温程序是加热-等待-检索模式，即步进式地在每个温度点保持恒温，如果检索程序发现样品的升温速率超过0.02 K/min，则通过同步样品的升温速率保持样品处于绝热状态，从而跟踪样品的自加热升温过程，否则开始加热至下一个温度点进行恒温、检索。不难发现，ARC获取的是样品近似热力学上的失稳温度，由于检测精度高，获得的失稳温度往往比DSC、TG等方法获得的低很多。Dahn课题组基于ARC测试了大量材料-电解液体系的反应起始温度，基本均低于DSC数据中的放热主峰。事实上，Wang等在低升温速率的DSC测试中也发现充电态材料与电解液的放热起始点远早于剧烈的放热峰。这些信息表明材料失稳到完全失控的过程并不是突变式的，整个体系动态演变的过程仍然缺乏深入的研究认识。图4 (a) DSC基本原理；(b) 脱锂态正极-电解液的DSC测试结果1.2 物相分析技术电池材料在升温过程中发生相变和化学反应，其形貌、结构、成分和元素价态都有可能发生变化，这些变化需要基于对应的方法进行表征分析，如利用扫描电子显微镜观察材料热分解前后的形貌变化，利用X射线衍射和光谱学研究材料结构和元素价态演变。由于材料热分解和热反应存在显著的动力学效应，在加热过程中原位测试可以最大程度地还原物相变化的真实过程。目前较为成熟的原位表征技术主要有两类：一类是与热分析仪器串联使用的质谱、红外光谱等，可以实时监测物质分解产生的气体类型，判断材料加热过程中化学组成的变化；另一类是原位X射线衍射技术，通过特制的样品台，可以在升温过程中实时、原位测定材料的结构变化，目前全球多数同步辐射光源和一些实验室级的X射线衍射仪上都可以实现原位变温XRD测试。Nam等利用变温XRD发现脱锂态LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2结构在350 ℃向尖晶石转变，而加入电解液后该转变温度会下降至304 ℃。Yoon等在LiNi0.8Co0.2O2中发现了类似的规律，并发现MgO包覆可以改善脱锂态正极在电解液中的相变。图5展示了变温XRD和MS的联用技术，系统研究了不同Ni含量的脱锂态NCM三元正极在升温过程中的结构和成分变化，研究发现三元正极失稳释放氧气的过程与结构在高温下转化为尖晶石相的行为直接对应，且这一过程的起始温度随镍含量的上升显著下降，NCM523的起始相变温度约为240 ℃，NCM811则小于150 ℃，从体相结构的本征变化解释了高镍正极在电池应用中热安全性差的原因。以上工作都是基于同步辐射光源实现的，由于同步辐射提供的光源质量高、扫谱速度快，更适用于研究与时间相关的动力学问题。除此之外，近年来基于X射线谱学以及拉曼光谱实现同步表征的方法均有所发展。结合通过热分析手段观察得到的材料热行为信息，并对升温过程中材料物相变化的研究，可以更深刻地理解材料演变以及电池体系热失稳的动力学过程，为材料的安全性改良提供理论指导。图5 基于原位XRD和质谱对镍钴锰酸锂结构稳定性的研究1.3 计算材料学基于材料原子结构计算预测材料的全部性质是计算材料学家的终极追求。材料的热力学稳定性可以基于密度泛函理论计算。DFT中判断材料稳定性的依据是反应前后的能量差ΔE是否小于0，如果ΔE小于0，反应能发生，则反应物不稳定，反之同理。Ceder等在1998年就计算了LiCoO2脱锂过程结构相变的过程，计算结果与实验结果吻合良好。然而目前大多数热力学计算不考虑温度效应，且热力学只能作为反应进行方向的判据，无法预测反应速率等动力学问题，考虑温度和动力学计算则需要使用成本较高的分子动力学、蒙特卡洛或者过渡态搜索方法。相对于材料本身的稳定性，计算材料学对于计算预测两种材料间的界面稳定性存在一定优势。Ceder等计算了不同正极和固态电解质之间的稳定性，为选取界面包覆的材料提供理论指导。Cheng等利用AIMD模拟Li6PS5Cl|Li界面，发现界面副反应会持续发生，材料界面之间的副反应是自发发生的，与通常认为的界面钝化效应有所差异。此外，正极材料中的相变析氧、过渡金属迁移等问题的计算模拟也都处于初期开发阶段，仍需持续探索。总的来说，目前阶段材料层级的理论模拟技术与实验技术的差距仍然较远，需要研究人员的持续努力。2 电芯热安全性研究电芯指电池单体，是将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置，通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子。电芯的热安全性特征是电池工业界最关注的内容之一，它是电池材料热稳定性的集中表现，也是制定规模化电池系统安全预警和防护策略的基础。由于电芯内部具有一定的结构，其安全性会呈现一些在纯材料研究中不被讨论的特点，使得电芯安全性具有更广泛的外延和认识角度。工业上一般通过滥用实验来研究和验证电芯产品的安全性，近年来基于扩展体积加速度量热仪(又称EV-ARC)的安全性测试方法有较快发展，此外电芯安全性模拟方法也从早期的定性分析发展到可以准确仿真预测热失控进展的水平。2.1 滥用测试国际电工委员会(IEC)、保险商实验室(UL)和日本蓄电池协会(JSBA)最初定义了消费电子产品电芯的滥用测试，模拟电芯工作可能遇到的极端条件，通常分为热滥用、电滥用和机械滥用。常见的热滥用为热箱实验，电滥用包括过充电和外部短路实验，机械滥用包括针刺、挤压、冲击和振动等。企业和行业标准一般将电池对滥用测试的响应描述为无变化、泄漏、燃烧、爆炸等，也可基于附加的传感器和检测系统记录温度、气体、电压对滥用的响应。电芯通过滥用测试的标准是不燃烧、不爆炸。锂电池应用早期研究人员大量研究了电池对各类滥用测试的响应与使用条件、材料体系、充电电量等的影响，提出了各类滥用机制引发电池热失控的机理。滥用测试中最难通过的项目是针刺测试，近年来关于针刺测试的存废引起了较大争议，但提高电芯的针刺通过率仍是锂电池安全性研究的重要课题之一。由于滥用测试针对的是商用成品电芯和贴近真实的使用条件，目前更多作为电池行业的安全测试标准而非研究手段。2.2 EV-ARC测试早期的ARC只适用于研究少量材料样品的热失控行为，Feng等发展了利用EV-ARC研究大体积电芯绝热热失控行为的方法，研究的方法原理和结论如图6所示，由于EV-ARC的加热腔更大，所以需要更精准的控温技术和更严格的校准方案。基于EV-ARC测试可以定量标定出电芯热失控的特征温度T1、T2和T3，分别对应电芯自放热起始温度、电芯热失控起始温度和电芯最高温度，为评价电芯安全性提供了更精确定量的评价指标，标准化的测试条件可以帮助建立统一可靠的电芯热失控行为数据库，分析了不同体系电芯的热失控机理。Feng等利用EV-ARC首次提出正负极之间的化学串扰会引起电芯在不发生大规模内短路的情况下热失控，说明脱锂正极释氧是现阶段影响电芯安全性的关键因素。Li等研究快充后的电芯发现快充析锂导致T1大幅下降，说明析锂同样是电芯安全监测中需要重点关注的问题。以上这些问题都是在常规的滥用测试中难以定量验证的。图6 基于EV-ARC对电芯热失控的研究相比于普通的加热滥用实验，EV-ARC实验环境的温度由程序精确控制，获得的测试结果重复性更好、数据可解读性更高，近年来已成为评价和研究电芯安全性的重要手段。然而EV-ARC模拟的绝热热失控环境与真实的电池滥用工况仍有所差异，评价电芯的实际安全性仍需大量模拟真实严苛工况的测试手段。2.3 高速成像技术为了更直观地理解热失控过程中电池内部物质、结构的演化，研究人员发展了结合红外测温以及原位针刺等辅助功能的透射X射线显微方法如图7(a)～(c)所示。由于热失控往往是在极短的时间内发生剧烈的反应，同时伴随剧烈的物相、结构变化。这一特点给TXM表征方法提出了相当高的时间分辨率的要求。实验室X光源能够发射出的X射线光电子数量有限，采集一组TXM影像数据需要较长的时间。为了观察剧烈变化的热失控过程，Finegan等在欧洲同步辐射实验室(ESRF)使用同步辐射光源将TXM的曝光时间降低至44 μs，配合针内预埋的热电偶温度传感器，实现了对针刺发生时电池内部形貌与刺入点温度的同步监控。该团队利用这种手段研究了刺针纵向与径向刺入18650商业圆柱电池时电池内部热失控行为的差异。Yokoshima等采用实验室光源进行连续实时的透射X射线照相技术，也得到了软包电池在针刺过程中结构随时间变化的一组透射投影图。该方法以4 ms的时间分辨率较为清晰地观察到了针刺入软包电池后电池内部每一层材料的形变过程，以及针刺深度与热失控程度的对应关系。图7 基于X射线成像技术对电芯热失控的研究由于透射投影图只能反映某一方向上二维的信息，如果要对真实三维空间中物质的分布做精确地定量，需要借助计算机成像技术。如图7(d)所示，Finegan等利用同步辐射光源X射线高亮度的特征，在欧洲同步辐射装置(ESRF)的线站上搭建了一套集合原位红外加热、红外测温与高速CT的装置。使用红外加热，实现在线的18650电池升温，同时进行连续的X射线CT成像。连续扫描的TXM投影图能够反映极高时间分辨率的热失控电池内部情形。基于每500张TXM重构得到1个X射线CT结果能够达到2.5帧每秒，实现了一定时间分辨率的电池内部空间分布成像。通过CT结果能够清晰地看到热失控过程中各个阶段的电池材料变化，如电极活性物质层破损、铜集流体融化再团聚等。结合TXM技术获得的投影图和高速X射线CT结果，可以清晰认识热失控过程中电池内部不同位置各个材料的反应、产气、结构破坏等失效行为。另一方面，配合诸如针刺、红外加热、挤压、拉伸等原位实验，可以帮助研究与理解电池的各类宏观失效行为。2.4 电芯热失控数值模拟电芯安全测试的维度广、涉及的测试项目多，通过实验评价电芯安全性需要大量样品和时间成本。同时，产品级电芯的研发周期长、成本高，安全性评估往往处于电芯研发周期的后端。通过数值模拟方法预测电芯安全性测试表现可以大幅度降低实验成本，且在产品研发的前期便对体系的安全性做出判断，大大提高研发效率。电芯热失控数值模型的核心是准确描述电芯热失控过程中的化学反应及吸放热量，从而基于能量守恒模拟电池温度在不同条件下的动态变化。化学反应的吸放热一般通过Arrhenius公式描述 (1)式中，图片指反应的产热量；图片为反应物的质量；图片为反应单位质量的吸放热；α为反应的归一化反应量；图片为机理函数；图片为反应的指前因子；图片为反应活化能。通过热分析实验可以测定求解以上参数，这也是热分析动力学的基本问题。电芯升温过程中内部会发生多个反应，它们对电芯升温的贡献可以看作线性叠加，通过准确描述所有反应即能较为精准地预测电芯在不同条件下的温度变化行为 (2)上述方程中，图片为电芯密度；图片为等压比热容；图片、图片、图片为电芯中沿各个方向的热导率；图片为对所有化学反应的产热速率求和；图片为电池与环境换热所引起的能量变化。预测温度变化需要求解二阶含时偏微分方程，如果认为电池中的反应和空间无关，电芯温度均匀上升且电芯体系与外界无热交换，也可简化为一阶微分方程 (3)基于该理论，Hatchard等将电池中主要的化学反应总结为SEI分解、负极-电解液反应、正极-电解液反应、电解液分解反应，计算了方形和圆柱电芯在热箱中的热行为。Spotnitz等总结了早期文献中的反应动力学参数，并基于均一电芯模型系统预测了不同材料体系的电芯在各类滥用测试中的表现。通过理论模拟，可以仅基于少量小规模实验数据对实际电芯的安全性表现进行系统预测。Feng等、Ren等基于热分析动力学和非线性优化算法重新标定了电池中关键反应的动力学参数并进行了更准确的热失控模拟，他们的模型利用DSC测试获得的参数准确预测了电池在ARC中的热失控表现，可以进一步用于预测热箱、短路等条件下的安全性。需要指出的是，不同材料体系、配方和工艺的电芯中涉及的反应机制和动力学可能存在差异，如近年来电芯内短路、正极-电解液反应和正负极化学串扰三者是否均在热失控过程中主导发生的问题引起了广泛争论，安全性的数学模拟并非空中楼阁，而是建立在具体实验和对电池内部化学反应深刻理解的基础上。由于算力的限制，早期的安全性仿真工作大多不考虑温度空间分布或只计算一维分布，而空间分布在大容量电池和真实工况中是不可忽略的，Kim等、Guo等较早提出了描述热失控温度分布的三维电池模型。近年来数值计算方法的发展和商业计算软件的成熟大幅降低了安全性模拟仿真的难度，Feng等利用商业化的有限元计算软件Comsol Multiphysics建立了大容量三元方形锂离子电芯的热失控仿真模型，可以模拟电芯在短路状态下热失控过程和温度的分布，与实测有较好地拟合结果。除了电芯的热行为，电滥用和力学失效对安全性也存在一定的影响，目前，通过构建电-热耦合模型研究电池非等温电化学性能和短路热失效表现的方法目前已较成熟[59-60]，而力学失效如碰撞、针刺等引起热失控的数值模型仍需要持续地开发。3 系统热安全性研究电池系统的安全性是目前锂电池应用面临的最直接问题，其研究重点是系统中热失控的扩展规律与抑制、预警措施。目前商品化电芯的热失控无法完全避免，在系统层面防止热失控扩展是可能的安全性解决方案。在系统层级开展实验研究的成本较高，但难以避免，在模拟仿真的辅助下可以提前预测优化系统设计，降低实验成本。3.1 热失控扩展和火灾危险性测试电池系统热扩展的实验研究成本和危险性较高，主要方法是通过加热、过充、针刺等方式诱发电芯单体的热失控，并利用接触式热电耦、红外测温等手段研究温度在系统中的分布和变化，这种方式只能获得局部多点的热失控信息。Wang团队在国内首次开发了全尺寸锂离子电池火灾危险性测试平台，用来测量大尺寸动力电池及电池组的燃烧特性，除了可以获得电池温度变化外，还可以获得电池组失控过程中的质量变化、火焰温度等信息，同时基于锥形火焰量热等技术可以测定大型电池系统宏观燃烧所释放的能量。与电芯EV-ARC等方法获得的信息不同，在真实环境下实验得到的电池系统燃烧行为往往更加复杂，包含多个加速失重和喷射火焰的阶段。通过以上测试可以在实用层面评价大型电池组的安全性和失控风险，为安全性改良、预警、消防和灾害处置提供重要信息。3.2 灾害气体研究和预警方案设计电池实际使用和安全失效的过程中，气体的成分与生成规律是重要的研究课题，与电池热失控早期预警、爆炸、火灾蔓延等表现密切相关。从材料本质上看，电池中的有机电解液在高温下气化、活性组分高温副反应均会释放气体，加热条件下产生的混合气体可以通过气相色谱-质谱联用技术、傅里叶变换红外光谱等手段分析成分。目前这些气体检测技术已较为成熟，但在安全性研究过程中，气体的收集和定量仍需要特制的容器或取样器辅助实现。一般来说，电池热失效气体组分中除了惰性的CO2外还包括大量未完全反应的电解液溶剂、CO、H2和有机小分子，兼具可燃性和生物毒性，Ahmed等发现可燃气体的释放是加剧锂电池系统热失控扩散、诱发大规模火灾事故的重要原因。由于气体的扩散速度快，检测手段较成熟，气体监测有望成为电池系统安全预警的关键手段，Cui等利用同位素标记-质谱技术发现充电态电池在加热失控的早期负极的SEI分解会产生H2，促进电池的热失控。Jin等发展了一种通过小型MS监测H2实现模组过充热失控早期预警的手段，在8.8 kWh的磷酸铁锂-石墨电池包中进行了实验验证，发现可以在产生烟雾的10分钟之前发出安全预警。3.3 系统安全性模拟仿真相对于实验研究，模拟仿真消耗的实物资源少，在系统安全性研究中更具优势。系统热安全模拟一般建立在完备准确的电芯热失控数值模型的基础上，在由多个电芯单体构成的复杂电池系统中，每个单体内部温度均独立地遵循前文所述的电芯热失控模型，电芯之间交换热量通过热传导、对流和辐射形式进行，可以分别通过相应的公式进行描述，电芯热失控产热方程和传热方程共同构成了描述整个系统空间的温度场的数学模型。通过求解建立的数学模型，研究人员和工程师可以研究系统大小、空间布局、热管理模式等对电池系统稳定性、安全极限温度、热失控扩散表现等的影响。由于电池系统的结构往往较复杂，系统热安全模型往往需要在成熟的商业模拟仿真软件中进行，常用的软件平台有Comsol Multiphysics、ANSYS、Siemens Star-ccm+等。Feng等利用Comsol Multiphysics构建了由6个标准方形电芯组成的小型模组的热失控规律，研究了不同参数对热失控扩展的影响，提出了4 种抑制热失控扩展的方案，并对增加隔热层的方案进行了实验验证。Zhai等提出了18650锂离子电池模组热失控传播的多米诺预测模型，在Matlab中构建了较为简化的二维模型，预测模组中热失控传播的路径和概率，解释了模组中不同热失控初始位置对热失控传播行为的影响。目前学术界关于大型电池系统热安全性的研究仍然较少，作为一个工业界和学术界共同关心的问题，系统层级的安全性研究需要产学研的深入合作。4 下一代锂电池的安全性研究电池安全的预防、预警、预测依赖对从系统到电芯再到材料热失控构效关系的深刻理解。纵观近年来引起广泛关注的锂电池起火事件，大部分发生在新技术和新材料的初步应用阶段，如近几年多起采用高镍三元电池的电动汽车起火事件，而当大量事故引起广泛关注后，关于该电池体系的安全性研究才随之增多，电池安全研究于电池电化学性能研究的滞后性是电池安全研究中的一个鲜明特点。为了满足电动化浪潮带来的高安全、高能量密度要求，人们期望在锂离子电池中采用不可燃电解质或固态电解质，以彻底解决电池的安全性问题同时达到高能量密度。然而，电池安全性不仅与电池内部材料本身的热稳定性相关，还与材料之间的相互作用、电池内部的复杂环境息息相关。近期中国科学院物理研究所Chen等的工作显示，即使是采用了具有高热稳定性的固态电解质，在与金属锂接触的情况下，高温依然会发生热失控，且金属锂会受到温度的驱动，向固态电解质内部生长，进一步降低热失控的临界温度。清华大学Hou等报道了采用不可燃新型电解液的电池，由于锂盐和嵌锂态负极的剧烈反应，电池在高温下依然会发生热失控。这些结果说明，单维度提升锂电池安全性的设想往往是片面的，新体系的引入很有可能导致电池热失控反应链条的重构，从而使原本的安全预防预警措施不再生效，也很可能是新型锂电池体系容易出现安全事故的深层次原因之一。综上所述，为了在发展高能量密度电池的同时保证电池的安全性，研究者们需要在优化电芯电化学性能的同时，尽快同步地开展前瞻性电池安全性验证和研究。只有清晰全面地认识电池热失效机制和各个维度安全性的影响因素，才能在应用阶段做好电池的有效安全预防。图8给出了电池领域新材料和新技术从基础研究到规模量产的技术成熟周期。可以看出，一个新型技术的大规模应用需要投入巨额的人力物力，花费数十年的时间，才能真正实现量产。然而，电池的安全性验证却往往在电池接近量产的阶段才展开，且往往以通过电池安全测试标准为目的，无法系统深入地了解电池在全生命周期、实际复杂工况下的安全行为和内在机理，为日后的安全事故埋下隐患。对于早期的电池体系，由于能量密度不高，安全性问题并不突出，而最新的锂离子电池电芯能量密度已经可以达到300 Wh/kg以上，产学界广泛关注的锂电池新技术和新体系能量密度更高。这些具有高能量密度特性的新技术和新体系面临着更为严峻的安全性挑战，因此，将电池的安全性研究和验证步骤尽可能提前，在基本确定电芯结构后尽可能早地开展电池安全测试与机理研究工作，才有望在真实量产阶段前期就做好准备，摸清其安全性特征与行为，设计好对应的防护、预警措施。图8 电池领域新技术的成熟周期与高能量密度新体系的安全性研究目前，下一代化学储能电池的材料体系尚未有定论，可能用于新一代锂离子电池的新材料包括富锂材料、无锂高容量正极材料、硅基负极材料、锂金属负极材料、固态电解质等，如果考虑使用锂金属负极，锂电池概念的外延还可进一步扩展。然而从学术报道来看，与新材料热行为和新体系实用安全性相关的内容却鲜有报道，目前对绝大部分新型锂电池体系的安全性认知尚处于未知或初期阶段。本文所综述的研究方法既可以用于研究现有商业化锂离子电池的安全性，也可以从材料层级提前理解新型锂电池材料体系的热稳定性，并基于模拟仿真方法预测其电芯和系统的安全性，这对选定下一代锂电池的技术路线，保障高能量密度锂电池新技术平稳落地，具有重要指导意义。

大家好，本周为大家介绍一篇本课题组发表在ACS Chem. Biol.上的文章，Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics of Glycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling1。变构调节在自然界中广泛存在，可以用于调控细胞过程。糖原磷酸化酶（GP）是第一个被鉴定出的与变构调节相关的磷酸化蛋白。GP是一个分子量约196kD的同源二聚体蛋白，是糖代谢中重要的组分，也是2型糖尿病及癌症的靶点。AMP结合以及Ser14的磷酸化介导了GP的变构调节，使其构象从非活化的T-state GPb（未磷酸化状态）转变为活化的R-state GPa（磷酸化状态）。即使目前X-射线晶体学法解析出了GP的原子级蛋白结构，但受限于较大分子量，其结构动态性的检测较为困难，因此与GP变构调节相关的结构动态变化过程仍较为模糊。核磁共振（NMR）谱及分子动力学（MD）模拟等是探究蛋白质结构动态性的常用方法，但NMR分析存在分子量上限，且样品消耗量大，MD模拟的时间尺度和力场准确度有限。质谱（MS）法具有快速、灵敏的特点，是蛋白质结构、动态性以及构象变化分析中强有力的一款技术。氢氘交换质谱（HDX-MS）通过监测蛋白骨架酰胺氢原子与溶液中氘的交换来反映蛋白质构象动态性，因此适用于探究由配体、蛋白结合或共价修饰引起的蛋白质构象变化。同时，多个软件实现了由HDX-MS数据计算保护因子（PFs）和吉布斯自由能，从而提取残基水平的蛋白动态性信息。此外，在先前的工作中2, 3，我们整合了native MS和top-down方法（native top-down，nTD-MS技术），成功实现了多个蛋白复合物的一级序列到高阶结构等多方面信息的检测（包括测序、翻译后修饰、配体结合、结构稳定性、朝向等）。整合多种结构质谱法（整合结构质谱法）可以有效填补传统生物物理法中结构到动态性联系中的空缺，更好地表征变构调控现象。本文整合了HDX-MS、nTD-MS、PF分析、MD模拟以及变构信号分析检测了磷酸化介导的GP变构调控的结构和动态性基础，为GP的变构调控过程提供了见解。根据X-射线晶体学结构报道（图1a），T-state GPb转变为R-state GPa时，二聚体界面中N-末端尾部、α2、cap’（图1b）以及tower-tower helices区（图1c）发生了明显的结构重排，导致催化位点开放，从而底物磷酸吡哆醛（PLP）可以结合。尽管有晶体学报道，但与变构调控关联的构象动态性仍有待探寻。图1.（a）磷酸化介导T-state GPb（PDB：8GPB）向R-state GPa（PDB：1GPA）的构象转变；亚基相互作用界面：（b）C端区域和（c）tower-tower helices，GPb为蓝色，GPa为绿色。首先我们通过nTD-MS进行了检测。如图2a、b，谱图中观察到了GPb的单体和二聚体信号，其中二聚体为主要形式；GPa除了单体和二聚体外，谱图中还存在少量四聚体，但仍以二聚体为主要形式。当增加sampling cone（SC）电压时，GPb、GPa保留了其二聚体形式（图2c、d）。随后我们选择离子（29+）并在trap池中进行了碎裂（图2e、f、g、h），谱图低质荷比区GPa的碎片相对峰强度较GPb高，说明GP的二聚体互作界面较为稳定，且GPb亚基结构较GPa稳定。nTD-MS不仅能够探究GPb、GPa的结构差异，也能够为接下来的HDX-MS实验做好前期样品质量检查工作。图2.不同活化条件下GPb、GPa的nTD-MS谱图。（a、b）SC=40V；（c、d）SC=150V；（e、f）SC=150V、trap=100eV；（g，h）SC=150V、trap=200eV。左侧为GPb，右侧为GPa。随后我们进行了HDX-MS实验。图3a中展示了五个时间点的HDX heat map。图3b为通过PyHDX软件计算产生的PF值。其中N-端（1-22）以及tower helix前的loop区域（256-261）的氘代值较高、PF值较低，说明这些区域较为柔性或是结构较为无序。此外我们发现，tower-tower helices（262-276）区域的氘代值较低、PF值较高，表明helices的旋转可能是由前端可塑性铰链区触发的，而非helices本身的变形和重塑引起的，这些发现在晶体结构数据中均有吻合之处。除这两个区域外，GPa和GPb基本保持了稳定的整体结构。而从1μs原子级MD模拟计算得到的均方根波动（RMSF）和溶剂可及表面（SASA）中我们也发现（图3c），这两个区域数据与HDX-MS信息有所吻合，但MD模拟中部分区域未和HDX-MS相吻合的区域可能跟序列覆盖不足相关。图3. （a、d）GPb和GPa在不同标记时间下的氘代热图并映射到结构中（PDB: 1GPA）。（b、e）基于HDX-MS数据计算得到的PF值并映射到晶体结构中。（c、f）MD模拟中RMSF和SASA值并映射到结构中。从氘代差异图（图4a）中可以看出，4个区域呈氘代降低趋势（红色方框），多个区域呈氘代上升趋势（蓝色方框）（GPa-GPb）。而PF差的变化趋势与氘代变化趋势基本一致（图4b）。由数据可知，N-端和tower-tower helices的变化说明磷酸化介导的变构稳定了这两个区域，α1-cap-α2区域的动态性轻微下降。除此之外多个区域（尤其是tower-tower helices序列后的区域）均表现为PF值下降，说明相比于GPb，GPa催化位点附近的区域动态性增强了。接下来我们根据HDX kinetic plot特征将其进行了分类，并详细讨论了所属区域的变化。图4.（a）GPa-GPb HDX-MS的氘代差异图。（b）GPb到GPa PF的变化。 首先是N-端和C-端的变化（图5）。N-端残基1-22表现氘代下降，这说明N-端具有一定可塑性。受N-端区域磷酸化和结构变化影响，C-端区域也产生了一定的变化。此外，残基30-50（cap区）和残基111-117（α4back-loop）区表现氘代下降，而103-109（α4front）表现氘代上升。根据晶体结构推测，cap区和α4back-loop的氘代变化受N-末端变化影响，原有的残基相互作用被打破，形成新的残基间相互作用，同时这两个区域也经历了结构重排，因此表现出较明显的氘代变化。残基88-99（β2-α3）和残基125-141（β3-L-α6）氘代上升。总的来说，磷酸化使得cap′/α2界面互作增强了，同时磷酸化基团和精氨酸残基的静电相互作用是cap区产生变化的主要原因，而α1和α2起到锚定作用，其相对位置基本保持不变。图5.GPb（a）和GPa（b）的N-端和C-端区域的局部结构和HDX动力学曲线（c）。 此外，tower-tower helices（α7，残基262-278）区的变化同样值得关注（图6）。250s loop是表面暴露区域，未与其他区域发生接触，其氘代下降可能是因为自身结构的收缩。而肽段262-267和268-274氘代下降提示该区域可能发生了低周转率或强互作的结合反应。280s loop区氘代值上升。这些变化均说明，tower-tower helix的角度的改变不仅影响了二聚体界面结构，而且还影响了其靠近催化位点的周围区域。因此我们结合晶体结构推测，磷酸化和N-端相对位置的改变，使250s loop自身结构收缩，从而打破了Tyr262' -Pro281和Tyr262-Tyr280′之间的相互作用，导致两个亚基的tower helices发生相对滑动，倾斜角度增加。图6.GPb（a）和GPa（b）tower helix区域的局部结构和HDX动力学曲线（c）。 最后是催化位点、PLP结合位点和糖原存储位点的变化情况（图7）。催化位点周围多数区域均表现氘代上升趋势。我们推测，随着Pro281、Ile165和Asn133间的相互作用被打破，Arg569与Ile165、Pro281、Asn133间的互作也随之打破，因此催化位点和PLP结合位点周围的残基溶剂可及性上升，局部区域结构变得更为灵活，催化位点开放并转变为活化构象。糖原储存位点位于GP表面，距离催化位点30Å，除了α23（残基699−708）外，HDX-MS在糖原存储区没有观察到明显的变化。图7.GPb（a）和GPa（b）的催化位点和PLP（橙色）结合位点的局部结构和HDX动力学曲线（c）。结合以上所有数据，我们对磷酸化调节的动态机制进行了推测（流程图1）。磷酸化后，N-端尾部残基与acidic patch的互作被打破，也导致N-端尾部的有序化以及C-端尾部的无序化以及伴随的其他结构变化。通过在pSer14和Arg69和Arg43′之间形成新的盐桥，N-端残基被重定位，随之带来的是Asp838和His36′间的盐桥断裂。随着三级和四级结构的转变，250s loop收缩并发挥类似“门环”的作用，当其收缩时，Tyr262′-Pro281与Tyr262-Tyr280′之间的相互作用、276-279区与162-164区之间的氢键也被打破，导致tower helix发生相对滑动，tower-tower helices之间的作用被打破，同时将结构变化传递到催化位点。最后，280s loop和催化位点以及PLP结合位点附近的残基松动，通往催化位点和底物磷酸盐识别位点的通道打开，酶得以活化。流程图1.GP变构调节过程中，被打破（蓝色）或新形成的（红色）关键残基相互作用。 本文整合nTD-MS、HDX-MS、PF分析和MD模拟检测了GP磷酸化变构调节过程的结构和动态基础，通过该整合结构手段揭示了GP构象柔性、局部动态性以及长程变构调控构象变化中值得关注的信息。各个方法具有各自的优势，但也在一定层面存在局限，我们期待将HDX-MS信息与计算模拟信息进行更深度的整合以实现二者对蛋白质结构更精确的分析。撰稿：罗宇翔编辑：李惠琳原文：Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics of Glycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling李惠琳课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/li_huilin参考文献1.Huang, J. Chu, X. Luo, Y. Wang, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Li, H., Insights into Phosphorylation-Induced Protein Allostery and Conformational Dynamics of Glycogen Phosphorylase via Integrative Structural Mass Spectrometry and In Silico Modeling. ACS Chem. Biol. 2022.2.Li, H. Nguyen, H. H. Ogorzalek Loo, R. R. Campuzano, I. D. G. Loo, J. A., An integrated native mass spectrometry and top-down proteomics method that connects sequence to structure and function of macromolecular complexes. Nat. Chem. 2018, 10 (2), 139-148.3.Li, H. Wongkongkathep, P. Van Orden, S. L. Ogorzalek Loo, R. R. Loo, J. A., Revealing ligand binding sites and quantifying subunit variants of noncovalent protein complexes in a single native top-down FTICR MS experiment. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2014, 25 (12), 2060-8.

齐鲁工业大学（山东省科学院）化学与制药学部胡伟教授团队，在分子光谱的人工智能模拟方面取得研究进展。研究成果以“A Deep Learning Model for Predicting Selected Organic Molecular Spectra”为题，在Nature子刊 《自然-计算科学》（Nature Computational Science）杂志上在线发表。论文第一单位为齐鲁工业大学（山东省科学院），化学与制药学部2019级本科生邹子涵为第一作者，化学与制药学部胡伟教授、光电科学与技术学部张玉瑾副教授、中国科学技术大学罗毅教授和江俊教授为本文的共同通讯作者。分子光谱作为“分子指纹”，被广泛地应用于物理、化学、生物、材料、医学、食品、环境、化工等领域。传统的分子光谱模拟采用量子化学方法，涉及昂贵的电子结构计算和复杂的光谱模拟，导致效率低下。针对该难题，胡伟教授团队结合E（3）-等变几何组、自注意机制，开发了一套深度学习模型：DetaNet，从而建立了更高效、更准确、更快速的分子性质和分子光谱的人工智能模拟方法。研究团队首先建立了包含 13万余种分子的红外、拉曼、紫外-可见吸收、核磁共振光谱数据库：QM9S 数据集；其次，通过传递高阶几何张量信息，使得DetaNet 能够预测各种分子的标量（能量、原子电荷等）、矢量（电偶极矩、原子力等）以及高阶张量（Hessian矩阵、电四极矩、极化率、电八极矩、第一超极化率等）性质。在此基础上，开发了通用模块用来预测四种重要的分子光谱，即红外光谱、拉曼光谱、紫外可见吸收光谱、核磁共振光谱。通过测试，研究团队发现DetaNet的计算效率比量子化学快3-5个数量级。本研究成果提供了原创的深度学习模型：DetaNet，在世界上首次提出直接预测分子张量性质的机器学习算法，开发了多种分子光谱的人工智能模拟算法，对分子高通量筛选、光谱辅助结构鉴定等重要的领域提供了坚实的理论基础和高效的软件工具。本课题受到国家自然科学基金、山东省泰山学者计划、济南市高校20条等项目支持。

p style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/3b43fd2d-1e29-415a-897c-2f97db925cbf.jpg" title="1.jpg"/ /pp style="text-align: justify " 近日，我国地震工程领域首个国家重大科技基础设施——大型地震工程模拟研究设施由国家发改委批复立项。该大科学装置建成后，将成为目前世界最大、功能最强的重大工程抗震模拟研究设施，这对于保障土木、水利、海洋、交通等重大工程的安全具有重要意义。有利于从减少地震灾害损失向减轻地震灾害风险转变，全面提升抵御自然灾害的综合防范能力。该设施由天津大学牵头在天津建设，总投资预计超过15亿元人民币，也是迄今为止在天津建设的首个国家重大科技基础设施。/pp style="text-align: justify " 大型地震工程模拟研究设施的建设可望对我国工程科技进步做出重要贡献，为确保重大工程安全发挥重要作用。伴随着人类科技进步和日益增长的社会需求，高层建筑、跨海大桥、大型水利水电工程、超长隧道、海底管线、海上风电、海上平台、大型核电等重大工程越来越多。这些重大工程的抗震安全对大型地震工程模拟研究设施提出了迫切需求。中国工程院院士、中国地震局工程力学研究所名誉所长谢礼立研究员指出，工程结构的失效和倒塌是造成地震中人员伤亡、财产损失和发展受阻的最重要的原因，搞清工程结构的抗震薄弱环节，提升其抵御地震破坏的能力是最根本措施。/pp/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/f9c1fea7-d5a8-4482-bf5e-f93e36ef6799.jpg" title="2.png"//pp style="text-align: center "大跨桥梁水下振动台台阵波流耦合试验现场效果图/pp style="text-align: justify " 地震模拟振动台是开展抗震模拟研究的有效试验平台。目前国内外已有的地震模拟振动台由于规模较小或实验功能单一（不能同时模拟地震与其它多种灾害荷载的作用），已经不能满足一旦地震时确保工程安全和正常服役的需要。天津大学牵头建设的大型地震工程模拟研究设施将建设尺寸和载重量更大的地震模拟振动台、能同时模拟地震与水下波流耦合作用的振动台台阵试验装置。该设施建成后，可大幅提升我国工程技术领域的创新能力和水平。/pp style="text-align: justify " 该装置将建设在崭新的天津大学北洋园校区内，总建筑面积7.7万平方米，建设周期为5年。据项目首席科学家、天津大学校长钟登华院士介绍，该设施建设内容主要包括三大系统：地震工程模拟试验系统、高性能计算与智能仿真系统、试验配套与共享系统；该系统的建设涉及众多领域和多学科交叉，如：水利工程、土木工程、船舶与海洋工程、力学、控制科学与工程、机械工程、精密仪器科学、计算机科学、材料科学与工程、防灾安全等多个学科领域。天津大学具有悠久的办学历史和深厚的学术底蕴，学科门类齐全，科研实力雄厚，拥有4个国家重点实验室，具有丰富的科研设施建设管理经验，可为大型地震工程模拟研究设施建设与运行管理提供有力保障。/pp/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/2974ac49-8534-4365-b78b-33cbd7da5860.jpg" title="3.png"//pp style="text-align: center "大型水坝-库水-岩体大型振动台试验效果图/pp style="text-align: justify " 大科学装置从一个侧面折射出一个国家的创新潜力。大型地震工程模拟研究设施是党的十八大以来，继贵州天眼（FAST）、广东散裂中子源、上海光源线站等之后的又一“国之重器”，建成后将对全世界开放，实行设施、数据、成果共享，可以吸引世界上更多的科学家和工程技术专家来这里共同工作，为科学技术发展做出贡献。/ppbr//p

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一类特殊天体。20世纪70年代初霍金、贝肯斯坦等的研究表明黑洞具有热力学性质：黑洞具有正比于其视界面积的熵；黑洞会以热辐射的形式向外辐射粒子，其辐射温度正比于其表面引力；黑洞的质量、熵和温度等满足热力学第一定律。黑洞的热力学揭示了引力的量子效应。因而普遍认为，黑洞是通向量子引力理论的窗口。   实验检验黑洞的量子效应是颇具挑战性的任务，这是由于这些效应非常微弱，且极难观测。比如一个太阳质量大小的黑洞，其对应的霍金温度只有10-8K ，远低于宇宙微波背景辐射的温度（≈3K）。缺少直接的实验检验也是”引力量子化“理论研究迟滞不前的原因之一。在这样的情形下，人们试图在实验室系统中创造出一个等效的“弯曲时空”并研究相关的效应。这一研究被称作“类比引力”（analogue gravity）。它是由Unruh效应（一个在平坦时空中作加速运动的观测者将看到他处于一个热浴中）的提出者William Unruh于1981年首先提出。近日，中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根和理论物理所博士毕业生、现天津大学理学院量子交叉中心副教授杨润秋，与物理所研究员范桁、副研究员许凯及博士研究生时运豪等合作，在”类比引力“的研究中取得重要进展。该工作在超导量子芯片上观察到“模拟黑洞”的霍金辐射并研究了弯曲时空对量子纠缠的影响。相关研究成果发表在《自然-通讯》【Nature Communications 14, 3263 (2023)】上。这一工作的理论基础是基于蔡荣根和杨润秋等在前期研究提出的模型，即在爱丁顿-芬克尔斯坦坐标下对空间坐标离散化，1+1维的无质量标量场和狄拉克场可以被量子化，并等价于耦合强度随格点位置变化的XY晶格模型；弯曲时空的度规信息则被编码在耦合强度的分布函数中。然而，如何在实验中实现这样一个耦合强度具有特定分布的XY晶格模型是颇有挑战性的问题。本研究利用一个具有10个量子比特与9个耦合器构成的一维阵列超导量子芯片，通过精确控制耦合器使比特之间的等效耦合强度按照从负到正分布实现了1+1维的弯曲时空背景，并观测了准粒子在弯曲时空背景下的传播行为。结果表明，在模拟黑洞的内部准粒子总是有一定概率通过视界辐射出去，其辐射概率满足霍金辐射谱。该团队利用量子态层析技术重构出黑洞外部所有比特的密度矩阵，计算了相应的辐射概率，证实了存在类比的霍金辐射。此外，该团队还在黑洞内部制备了一个Bell纠缠态并对比了平直和弯曲时空背景下的纠缠动力学。这一实验研究为在超导量子芯片中模拟弯曲时空和黑洞的量子效应开辟了新路径。该工作所使用的可调耦合器件由超导国家重点实验室SC5组研究员郑东宁和副主任工程师相忠诚提供。研究工作得到国家自然科学基金、科学技术部、北京市自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。日本理化学研究所和北京量子信息科学研究院的科研人员参与研究。超导芯片上的黑洞、弯曲时空耦合强度分布以及部分实验脉冲序列

尊敬的老师和同学，您好！ 近20年来，诺贝尔化学奖已两次授予计算化学学科（1998年度和2013年度），这充分说明了理论计算和模拟在科学研究中的重要性，不仅在化学和生命科学领域，科学计算和模拟结合高性能计算机，已经成为认识和解决所有复杂的科学和工程问题的重要方法。Discovery Studio（简称DS），作为面向生命科学领域的综合性分子模拟平台，通过高质量的图形界面、经多年验证的科学算法以及集成的环境，为科研工作者提供了易用高效的药物设计与大分子模拟技术和工具，从而得到了广大用户的认可与青睐。 2015年创腾科技有限公司在北京成功举办了Discovery Studio4.5体验日，共吸引超过120多位相关领域的科研工作者。为满足更广大客户的学习需求，我们计划于2016年在全国（暂定五大区：成都、沈阳、武汉、西安、南京）继续举办该学习体验活动，为更多科研人员提供一个免费交流学习Discovery Studio软件在药物设计和生物大分子模拟领域应用的机会与平台，帮助更多的科研人员了解Discovery Studio软件的应用并学以致用。 随着Discovery Studio2016版本的正式发布，本年度活动将以Discovery Studio2016软件为依托，介绍Discovery Studio2016新功能，并围绕经典的模拟技术手段进行介绍和案例分享，内容涵盖：基本界面和入门操作、分子对接、药效团模型、蛋白质理性设计等，从而帮助大家系统了解该模拟技术并应用于蛋白（核酸）-小分子相互作用机理解释、化合物的虚拟筛选、化合物构效关系的分析、反向找靶、抗体设计和酶设计等方面。活动具体信息如下： 一、活动城市和时间:二、活动日程安排： 详情见创腾科技网站活动页面（www.neotrident.com)三、参加对象： 对分子模拟感兴趣、希望了解分子模拟并将模拟技术应用于药物研发、蛋白结构功能研究、抗体研究或酶研究领域的高校或企业科研人员；对Discovery Studio软件感兴趣、希望了解Discovery Studio软件的高校或企业科研人员。 四、活动费用：免费活动（食宿交通等费用自理） 五、学习电脑： 学习体验日现场涉及上机操作，需自带电脑（具体会有后续通知）。请在活动开始前自行下载并安装DS软件。学员可根据自己手提电脑配置自行下载所对应的版本： Windows 32bit下载 链接: http://pan.baidu.com/s/1i4ho54x 密码: 4n4u Windows 64bit 下载 链接: http://pan.baidu.com/s/1qXtR8SG 密码: qh5m Linux 64bit下载 链接: http://pan.baidu.com/s/1qXiwsby 密码: bixs 六、报名方式：请填报名回执并发送到market@neotrident.com信箱，提交回执后3个工作日内会收到一封确认邮件，敬请留意！注：1）自通知发布后接受报名，以报名先后顺序安排座位，因场地名额限制，额满为止！ 2）若临时取消报名，务必提前通知工作人员；活动当日请提早报到，若活动开前5分钟仍不到现场，为您预留的座位将由旁听席学员顶替。 报名邮箱：market@neotrident.com

地震模拟试验技术是集机、电、液与计算机控制等多学科知识为一体的综合性技术，是土木工程、岩土工程、结构工程中大型结构试件抗震减灾、性能验证和破坏机理研究的核心技术手段。该技术以电液伺服控制技术、自动控制理论、模拟电子技术和信号处理等课程为技术基础。8月16日，由仪器信息网、中国仪器仪表行业协会试验仪器分会联合主办的第二届试验机与试验技术网络研讨会将召开。届时，哈尔滨工业大学副教授杨志东将在线分享报告，介绍国内外地震工程与工程振动领域的地震模拟试验技术研究成果与相关技术。欢迎业内人士报名听会，在线交流。附：第二届试验机与试验技术网络研讨会 参会指南为帮助业内人士了解试验技术发展现状、掌握前沿动态、学习相关应用知识，仪器信息网携手中国仪器仪表行业协会试验仪器分会于2023年8月16日组织召开第二届“试验机与试验技术”网络研讨会，搭建产、学、研、用沟通平台，邀请领域内科研与应用专家围绕试验机行业发展、试验技术研究、试验技术应用等分享报告，欢迎大家参会。1、进入会议官方页面（https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/testingmachine2023/）进行报名。2、报名开放时间为即日起至2023年8月15日。3、报名并审核通过后，将以短信形式向报名手机号发送在线听会链接。4、本次会议不收取任何注册或报名费用。5、会议联系人：高老师（微信号：iamgaolingjuan 邮箱：gaolj@instrument.com.cn）6、赞助联系人：周老师（微信号：nulizuoxiegang 邮箱：zhouhh@instrument.com.cn）

p　　日前，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事赵博、陈宇翱等在超冷分子和超冷化学量子模拟研究领域取得重要进展，他们首次在实验上直接观测到超低温度下弱束缚分子与自由原子间发生的态态的化学反应，实现了可控态态反应动力学的探测，从而向基于超冷分子的超冷量子化学的研究迈进了重要一步。7月4日，这一重要研究成果以研究长文的形式发表在国际权威学术期刊《自然· 物理学》上[Nature Physics 13, 699–703 (2017)]。/pp　　据了解，量子计算和模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案，也可有效揭示复杂物理系统的规律，为新能源开发、新材料设计等提供指导。对化学反应和材料进行建模是量子计算最先可能的应用之一。借助量子模拟，研究者可以在人工可控的环境中研究数百万计的候选，大幅减少在真实材料中开展试验而投入的时间和资金。如同诺贝尔物理学奖获得者、麻省理工学院的Frank Wilczek教授在《今日物理》(Physics Today)发表的专题报道“未来百年的物理学”中所指出的，量子模拟“将成为化学和材料科学的核心工具。”/pp　　在该项研究成果中，中国科学技术大学的研究团队首次成功观测到了超低温下弱束缚的分子和原子发生的可控态态的化学反应。在实验中，他们巧妙的利用弱束缚分子的束缚能可以调节的特性，精确控制反应中释放的能量，实现了对反应产物的囚禁。在此基础上，他们利用精密的射频场操作技术，成功探测了反应的分子产物和原子产物，并进一步研究了态态反应动力学。实验结果证实了弱束缚分子之间化学反应通道的选择性，验证了W. Stwalley约40年前的预言。/pp　　该实验的重要意义在于，这是第一次在超冷化学反应中观测到态态的化学反应，从而将化学反应动力学的实验研究推进到量子水平。这一工作得到了《自然· 物理》审稿人的高度评价：“探测超冷化学反应的产物是目前该领域的重大研究目标，本工作向这个目标迈出了第一步” “该工作是超冷化学领域的一个重要的里程碑，将引起化学和物理研究者的广泛兴趣”。/pp　　该研究工作得到了自然科学基金委、科技部、中科院等单位的支持。/pp　　相关知识：/pp　　可控化学反应动力学的一个重要方向是对弱束缚分子化学反应的研究，这一问题可以追溯到约40年前。早在1978年，化学家W. Stwalley就曾指出弱束缚分子具有非同寻常的反应性质，它的反应会选择性通过一个反应通道进行。但由于弱束缚分子常温下不能存在，长期以来这一预言一直无法得到实验检验。近年来，随着超冷原子分子技术的发展，超低温的弱束缚分子可以从接近绝对零度的原子气中被制备出来，从而使得对其化学反应性质的实验研究成为可能。/pp　　在接近绝对零度的温度下，分子的德布罗意波长远大于相互作用的尺寸，因此化学反应完全由量子力学所主导，诸如量子散射、量子统计等量子效应将显著的改变化学反应的行为。超冷化学的研究为探索化学反应的机理和动力学提供了前所未有的量子态分辨率、能量分辨率和可调控性。近年来，超冷化学反应的研究取得了系列重要实验进展，例如，2010年，美国科学院院士D. Jin和叶军的联合实验小组观测到了超低温下铷钾基态分子之间的化学反应 奥地利因斯布鲁克大学的R.Grimm小组报道了弱束缚铯分子发生的化学反应等。然而，这些实验都只能测量反应物的损失，而无法对反应的产物的进行观测。迄今为止，超低温下态态化学反应尚未被实验实现。/p

2018年10月17日，上海交通大学材料改性与数值模拟研究所“TESCAN奖学金”颁发仪式在上海交通大学顺利举行！上海交通大学 材料改性与数值模拟研究所所长顾剑锋教授、研究所韩利战教授、李传维博士及TESCAN中国技术总监焦汇胜博士、市场部沈凌女士等人出席奖学金颁发仪式，并为获得2018年度“TESCAN奖学金”的优秀博士生颁奖。2018年度“TESCAN奖学金”颁发仪式上海交通大学材料改性与数值模拟研究所—TESCAN联合实验室于2017年5月正式成立，配备有一台TESCAN高端镓离子源双束FIB系统。研究所以热处理复杂工艺过程中的温度、相变、应力/应变、浓度、流体、电磁等多场量耦合的数值模拟技术为核心，主要从事高端材料热处理创新工艺的开发、热处理装备的计算机辅助设计、热处理过程的智能控制技术等方面的研究，并延伸至对材料力学行为与相变行为多尺度分析的基础研究。上海交通大学 材料改性与数值模拟研究所—TESCAN联合实验室研究所所长顾剑锋教授在颁奖致辞中，十分自豪地谈到“这个联合实验室的初期筹备就花费了两年多的时间，而实验室的成功建设和运行，也代表了上海市“核电大型锻件智能热处理实验室”建设项目的顺利运营。迄今为止，联合实验室已成功运行一年多，设备利用率非常高且设备运转良好，为研究所的课题研究提供了一个可靠稳定的平台。在这个过程中，也非常感谢TESCAN公司从产品的技术和应用支持到安装培训、售后服务等各个方面提供的优秀服务和有力保障。研究所所长顾剑锋为颁奖仪式致辞TESCAN中国技术总监焦汇胜博士也在颁奖致辞中谈到，“TESCAN作为全球知名的电子显微镜及微观分析综合解决方案供应商，近年来在中国市场取得了飞跃式的发展，同时TESCAN尖端的技术和优质的服务也对国内的科研起到了积极地推动作用，而这些成绩的取得离不开用户对我们的肯定和支持，尤其是我们联合实验室的用户。联合实验室计划是TESCAN中国最重要的市场战略，借助联合实验室的交流示范平台，我们将能够更好地推广我们的产品和服务，并为客户提供最尖端前沿的综合解决方案和最优质高效的服务。TESCAN中国技术总监焦汇胜博士为颁奖仪式致辞为研究所优秀博士生颁发“TESCAN奖学金”奖学金颁发仪式结束之后，紧接着便开办了“TESCAN高级应用培训讲座”，这也是双方共建联合实验室协议中的一项个性化服务内容。TESCAN中国应用中心高级应用工程师向研究所的广大师生及电镜操作人员进行了电子显微镜的高级应用培训，详细讲解了仪器的原理、应用技巧以及最新版软件的使用。上海交通大学材料改性与数值模拟研究所借助TESCAN高端镓离子源双束FIB系统，开展了诸如原位3D功能、动态高温力学分析等大量研究，都是非常先进的材料表征技术，这对于TESCAN的产品推广和市场培育起到了非常重要的示范和引导作用。TESCAN应用中心也和研究所通力合作，为很多研究项目提供了专业的应用支持和测试服务。目前研究所已积累了大量数据和素材，相信在不久的将来，在双方的共同努力下，联合实验室将发表更多高水平高质量的研究成果。“TESCAN奖学金”颁发仪式合影留念更多内容详情，请关注“TESCAN公司”微信公众号。

6月8日，第一届城市碳达峰碳中和高端战略研讨会暨济南双碳模拟器发布会召开，全国首个城市双碳模拟器——济南双碳模拟器正式发布。据介绍，济南双碳模拟器主要功能包括天空地碳监测多源数据的预处理、碳源汇动态模拟反演、减污降碳协同模拟等功能板块。模拟器的研发以济南市为应用目标，充分考虑了通用性和易移植性，可推广至各级行政区域、河流流域、不同规模的各种类型园区、不同行业或领域，服务各级政府、各行业部门等，使碳排放和碳汇监测、核算、预测预警、调度管理等实现数字化和智能化，实现数字双碳动态管理。目前，济南双碳模拟器的大气二氧化碳模拟和同化反演子模块已经顺利移植到国家超级计算济南中心服务器上并成功运行，开始为济南碳监测试点提供技术支持。城市双碳模拟器将对城市绿色低碳高质量发展提供重要数值模拟技术平台，能为政府碳排放动态调控和产业优化升级管理提供有力科学支撑，为我国众多城市实现碳达峰目标和碳中和愿景保驾护航。济南市科技局党组书记、局长陈西武介绍到，近年来，济南市紧紧围绕“双碳”工作目标，加快推动绿色低碳发展，成功申报国家碳监测评估试点城市，成为全国8个综合试点之一，率先开展了城市大气温室气体监测评估工作，为城市碳监测评估体系建设贡献了“济南案例”。中科院大气所在济南成立齐鲁中科碳中和研究院，为济南市聚集和培养了一批技术创新团队，为济南市碳排放监测和评估提供了技术支撑，特别是此次发布的济南双碳模拟器，必将推动相关绿色科技成果在济南落地转化，为济南市实现“双碳”目标奠定坚实基础。

蒋华良院士作报告大会会场 为期3天的第九届国际分子模拟与信息技术应用学术会议，5月17日在太原理工大学召开，400多位国内外科学工作者进行了学术交流，中科院上海药物研究所所长蒋华良院士作了题为《原创药物研发新策略与新技术》的首场学术报告。开幕式由太原理工大学发展规划处处长王宝俊教授主持。开幕式上，北京大学徐筱杰教授致开幕词，太原理工大学副校长吕永康教授代表太原理工大学校长黄庆学院士致欢迎词。 据悉，本次大会由太原理工大学、中科院上海药物研究所、中国化学会计算(机)化学专业委员会和北京创腾科技有限公司联合举办，大会邀请了剑桥大学、北京大学、清华大学、复旦大学、法国达索公司、中科院上海药物所、中科院过程工程所、中科院山西煤化所等国内外50多所高校和研究机构的专家作专题报告，探讨如何利用分子模拟技术、量子化学计算技术和大数据技术推动化工、能源、材料、生命科学、生物制药等相关产业的创新发展。 据北京创腾科技有限公司总经理曹凌霄介绍，这次会议的目标，一是推动分子模拟和量子化学计算技术从广度和深度上得到应用；二是通过云平台和云计算提升科学实验数字化采集的应用体验，帮助研究人员加速研发，得到更多一流研究成果。 太原理工大学拥有教育部和山西省煤科学与技术重点实验室，在量子化学计算与分子模拟技术应用于煤科学和煤化工研究方面，实力较强，并取得多项研究成果。该校王宝俊教授告诉记者，这次会议也为省内相关高校和科研院所提供了难得的学习和交流机会，对山西相关研究领域的创新与发展有建设性积极作用。 本届会议六个分会，涵盖生命科学和材料科学两大领域，大会特设了企业分会，为产学研提供对接平台，来自中国石化、比亚迪、中船重工和罗氏制药的企业代表参与了交流。为解决煤化工产业中的关键科学问题，大会还特设煤科学与技术专场分会，就量子化学计算和分子模拟在煤科学和煤化工中的应用等问题进行了深入研究探讨。来源：科学网

最近，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈帅等与清华大学翟荟小组合作，在超冷铷原子玻色气体中人工合成自旋&mdash 轨道耦合的基础上，首次在实验上成功确定自旋&mdash 轨道耦合玻色气体在有限温度下的相图，标志着我国在超冷原子量子模拟这一重要实验领域占据了一席之地。该实验成果以封面标题的形式发表在4月初出版的《自然&mdash 物理学》杂志上。　　此次研究人员首先利用拉曼耦合技术，人工合成了自旋&mdash 轨道耦合的超冷铷原子玻色气体。通过改变系统温度，他们首次观察到了玻色&mdash 爱因斯坦凝聚体(BEC)的转变温度在自旋&mdash 轨道耦合影响下的变化 在实验上确定了磁性平面波相BEC到非磁性条纹相BEC在非零温度下的相变曲线 同时观察到在自旋&mdash 轨道耦合作用下，玻色气体磁性的产生与BEC转变温度的一致性。科学家在这些现象的基础上，比较完整地描绘出有限温度下自旋&mdash 轨道耦合玻色气体的相图。　　该发现有助于更清楚地理解自旋&mdash 轨道耦合的玻色气体的基本特性，展现了超冷量子气体在相互作用效应和热力学效应的共同影响下所产生的丰富的物理内容，是超冷原子量子模拟的一项重要进展，充分显示出量子模拟的强大功能。

浙江工商大学食品与生物工程学院陈建设教授课题组设计并制作了兼备人舌表面微结构与化学性质的柔性仿生人舌基底应用于口腔软摩擦研究，相关研究成果在口腔软摩擦的体外模拟测试研究中具有重要的应用前景。该成果以“Development of a simulated tongue substrate for in vitro soft “oral” tribology study”为题发表于《Food Hydrocolloids》期刊。尽管近年来在将摩擦学装置应用于口腔摩擦学方面的研究取得了很大进展，但目前广泛应用的体外口腔摩擦学测试技术常使用具有光滑表面的金属与弹性体，对真实舌面的复杂特征及其物理性能的模拟仍不完全。哺乳动物舌表面有着复杂的几何结构，其粗糙度通常在数百微米，主要由富含味蕾细胞的菌状乳突以及底部包含机械感受神经末梢的丝状乳突随机分布构成。人舌的高变形性和复杂的拓扑结构结合唾液的润湿，控制着食物/口腔黏膜和人舌之间的摩擦和润滑。 研究团队在之前研究中，利用结构光学技术对于舌面分区的粗糙度进行人群统计，基于以上研究背景，该团队进一步探究舌面乳突形貌与舌面粗糙度的关系，基于此，设计模型丝状乳突微结构并依据人群特征，制作三类模拟丝状乳突微结构与分布的人舌基底。研究团队采用面投影微立体光刻3D打印技术(nanoArch S140，摩方精密)高效、精准地实现了上述设计微结构的模具制备。图一模拟人舌基底三维模型及利用PDMS浇铸脱膜后的基底的微结构(模具尺寸：79 mm×39 mm由三块25 mm×35 mm区域构成，其中T1，T2，T3区分别分布4900，3760，2600个模拟乳突)图二 T3类模拟人舌基底的体外软摩擦测试结果(T1,T2显示相同趋势)摩擦试验结果显示不同黏度近黏度流体可构建完整构建Stribeck曲线，除此之外，利用模拟人舌基底测试时，边界润滑层获得表观摩擦系数值相较于使用光滑基底出现显著降低(≈1)，与团队原位摩擦测试结果更为接近,证明应用具备一定人舌扑拓结构的基底于体外摩擦测试具有更好的模拟真实口腔软摩擦行为的潜力。 该工作得到国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金的支持。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.106991官网：https://www.bmftec.cn/links/10

随着可再生能源的快速发展,太阳能光伏产业正在蓬勃成长。为了测试太阳能电池的发电效率,需要使用太阳光模拟器进行室内模拟。LED光源由于具备节能、寿命长等优点,已成为太阳光模拟器的主流灯源之一。但在应用时,LED灯源也存在一些缺点和限制。本文将讨论LED太阳光模拟器在测试钙钛矿太阳能电池时的优劣分析。什么是LED?LED (Light Emitting Diode) 是一种二极管照明装置,它能把电能转换成光能。是由一个半导体材料制成的,当电流流过时可发出光。所发之光的颜色可以是红、黄、绿、蓝或白色,是根据不同的半导体材料而定。优点包括高效率、长寿命、节能省电、可调光、快速发亮,绿色环保。因此,LED已经广泛应用于各种照明、显示器和通信系统等领域。LED (Light Emitting Diode) 光源本身拥有许多优点,其中相当著名的特点如下:高效率:转换能效高,目前研发上可以转换85% 的电能为光能。寿命长:寿命非常长,在结温保持在25度的条件下,通常可以达到10,000 小时以上。节能省电:比传统灯具更省电,能减少80% 的能源消耗。可调光:LED 光源可以调节亮度,可以根据环境需求适当调整。快速发亮:点亮速度非常快,在开关时不需要等待时间。环保:LED 产品不含有毒物质,不会对环境造成危害。将LED作为太阳光模拟器灯源又有什么优点?根据LED灯源的特性,太阳光模拟器制造商通常会强调使用LED灯作为太阳光模拟器灯源有下列7点优势:色温可调:可以根据不同的需求,调整色温,用以模拟不同的日照情况。可控性高:可以根据不同的模拟需求,进行亮度和色温的调整。省电:耗电比传统的灯具灯源更低。环保:LED灯源不含有毒物质,对环境无害。寿命较长:LED光源的宣称寿命非常长,可以标榜可达10,000 小时以上,但前提是结温(Junction Temperature)恒定在25°C的条件下应用广泛:可用于各种植物照明、人工智能研究、光学研究、生物研究、摄影棚照明等领域可以模拟多种天气状态,如晴天,阴天等。但LED灯真的这么好吗?长效寿命的定义与迷思LED寿命是指在特定温度条件与特定电流条件下,维持发光亮度至少70%时间的时间。其计算方式是以发光二极管的发光亮度衰减到剩原始亮度的70%,所需经历的时间为作为衡量标准,然而测试实验通常用多个灯泡为一组的实验中进行,当同组平均一半以上数量的LED灯光亮度衰减到70%的时候,其平均时间就是该LED灯泡群体的平均寿命,但寿命长度实验通常是在特定安排的理想使用环境条件下所量测评估的,例如必须控制温度、电流、环境等。常见的控制条件有在结温(Junction Temperature) 25°C下,2 mA特定电流条件下,进行发光强度与时间的寿命监控等等。换言之,一旦使用的环境条件不符该LED灯在实验室量测标准条件,将会大幅影响寿命。用LED作为光伏用太阳模拟器灯源不好吗?实际缺点与潜在问题理论上,更高的驱动电流会增加光输出。但伴随而来的是会增加耗损功率且在最终造成光输出和效率的损失。此外,较高的温度也会导致LED 的正向电压降低,从而使恒流源的耗损功率更高。因此同样地,LED 的主波长、光输出和正向电压相互影响,如下方所列。 (参考资料: NEWARK )光输出与电参数和热参数之间的关系电、热、光,三种要素均会影响LED 的输出特性。图2.解释了光输出与电参数和热参数之间的关联。容易热衰竭的LED灯--光输出随温度升高而降低据文献指出,AlInGaP 四元LED 对热相当敏感,我们可以从实验中了解,白光 LED 的光通量要保持80%,其结温就必须保持在 100°C 以下。而在琥珀色的LED,输出光通量也明显随着结温的升高而急剧下降。上图为结温与光通量的关系。容易随着温度变脸的LED灯----主波长(颜色变化)随温度变化TJ 增加波长或颜色会偏移,LED的主波长取决于结温,我们可以在下列附表中看到依颜色划分的1瓦高亮度的典型值,表中可很明显发现,琥珀色是相当敏感的,因为它会移动 0.09nm/°C。所以我们假设室内照明的环境情境,室温范围为10 至 40 摄氏度,那么在 30 摄氏度的温度范围内,琥珀色的主波长偏移为2.7 纳米 (40 - 10 * 0.09)。场面越热,LED越Down----正向电压随温度降低使用LED的研究人员不能不知道,当温度升高时,VF 降低 2mV/°C,虽然 LED 串联连接时,因为它驱动恒流,所以VF 变化应该不是一个严重的问题。但是如果LED是并联,VF就会随着温度升高而下降,导致电流增加。随着电流增加,TJ 就随之继续增加,导致 VF 更进一步下降,不断交互影响,直至达到平衡。反之,随着低温 VF 增加,就导致电流下降,这可能使得在恒压操作LED灯的环境下难以获得所需的固定光度。热到不想动的LED----寿命随温度降低LED 的可靠性是结温的直接函数,较高的结温往往会缩短LED 的使用寿命。而IES LM-80-08 是一项标准,规范了LED 制造商和照明制造商如何测试LED 组件,用以确定其随时间推移变化的发光性能。而LED 的 L70 寿命就是定义了LED 输出流明在25°C条件下,从100% 降低到70% 所经历的时间(如下图)。LM-80-08 报告用于预测各种温度和驱动电流操作环境下的LED 流明维持率。下图解释了L70寿命与结温之间的关系。据观察,LED 寿命随着结温的升高而降低,在85°C下,LED 寿命均小于1200小时。(参考资料: MDPI)The attained total radiant flux maintenance results of the mid-power blue LEDs, sorted by case temperature and forward current.LM-80-08 报告:中功率蓝色 LED在各外壳温度与正向电流下的LED 流明维持率。(参考资料: MDPI)

p style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 16px "环境试验设备经历了由单一环境因素模拟向多环境因素模拟，从静态模拟到动态模拟，由简单控制到微机全自动控制的发展过程。目前的发展方向是“更快、更好、更省”，并呈现以下特点：/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 16px "（1）试件尺寸：从小尺寸向大尺寸、全尺寸方向发展，试样从材料向构件、整机发展；/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 16px "（2）提高环境因素模拟精度：如目前模拟太阳辐射的光源主要是氙灯，尽管氙灯的光谱与太阳光谱接近，但光谱上某些点段相差较大。实践表明这些差别对有些材料样品的试验结果有影响，国外一些厂家在积极寻找新的光源。另外对氙灯光强的控制正在由点段控制向全光谱段控制方向发展。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 16px "（3）自然环境试验从典型环境向严酷与极端环境发展，向自然环境加速试验发展，向实验室模拟自然环境加速试验发展，并开始应用计算机数字仿真技术。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 16px "（4）采用新的控制技术：大量采用计算机领域内的新技术，如显示触摸屏技术、span style="font-size: 16px font-family: " times="" new=""PLC/span技术、现场总线技术等。试验过程的检监测技术已向现场连续观察与检测方向发展，并对观察与检测结果实现远程传输。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 16px "（5）更接近于实际环境的综合箱：如振动试验箱已经发展成为三综合（温度、湿度、振动）、四综合（温度、湿度、低气压、振动）试验箱，并且出现了多维振动试验箱；腐蚀试验箱由单一腐蚀试验向循环腐蚀试验（腐蚀－湿热－干燥－腐蚀）箱方向发展。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 16px "（6）大型综合专用设备：为适应各行各业的需要，研发制作大型综合专用的环境试验设施，如美国陆军阿伯丁靶场的兵器环境试验设备能让车辆在行驶道路条件下，模拟低温、高温、湿热、低气压等多参数组合环境。该设备有span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "1000msup3/sup/span、span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "145msup3/sup/span和span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "45msup3/sup/span三个环境试验室，采用一套空气制冷系统和各自独立的电加热设备。在大型环模设备中首次成功采用了空气制冷。该设备最大试验室空间尺寸为span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "16m× 8m× 8m/span（长× 宽× 高），温度范围为常温span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "~50℃/span，相对湿度可到span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "85× (1± 0.05)%RH（≤40℃）/span，模拟的最大太阳辐射强度为span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "1kW/msup2/sup/span，模拟的最大风速为span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "35m/s/span。/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-size: 16px "（7）重视各种试验数据的管理和应用：发达国家以数据库、数据手册、标准规范等集成性成果作为其共享与保护的手段，同时为研究、设计和技术改进提供了科学依据，避免了设计的盲目性。美军在自然环境试验中，经过长期系统的环境试验数据积累，出版了腐蚀手册，开发了新的耐候材料和产品，并制定了大量的材料生产、产品设计、工程设计等一系列标准和规范。美国制定的各类环境试验方法标准，为世界各国普遍采用，其中不少已成为国际标准。如美国著名的《尤利格腐蚀手册》、《军工材料与构件环境适应性数据汇编》等集成性成果已在全世界推广应用，形成了一种独立的知识产权，实现了材料与产品环境试验数据面向全社会的共享与服务。日本也十分重视自然环境适应性数据共享与保护。他们大约有span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "40/span个大气环境试验站，并形成网络体系，通过对原始数据的分析处理，建立共享服务数据库，面向社会为国家重点工程、项目研究、材料生产与应用部门提供数据服务。英国共有各类大气暴露场span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "40/span个左右，仅钢铁研究协会就有span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "8/span个，其中最大的是卡林顿暴露场。对于各试验站产生的环境试验数据，他们通过环境数据采集自动化、测试数据数字化和数据汇交格式标准化，建立完善的国家试验站网计算机网络。以关键材料、通用零部件、核心元器件等基础产品为对象，系统积累它们在各类环境中的环境因素及环境适应性数据，研究其与这些环境相互作用、性能演变及失效机理。为环境严酷度评估、装备产品环境适应性评价、实验室加速试验方法研究、环境试验标准制定、数据共享等提供技术支撑和服务。如英国皇家化学会数据库span style="font-size: 16px font-family: " times new roman" "（RCS）/span等，都通过大型数据库实现数据资源的有偿使用，有力促进了数据资源的推广与应用。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="font-size: 16px "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 280px height: 250px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/07635131-5027-48ed-a1c9-48fd8d31b2ed.jpg" title="试验箱.jpg" alt="试验箱.jpg" width="280" height="250" border="0" vspace="0"//span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="text-indent: 2em " /spanspan style="text-indent: 2em "环境试验设备发展趋势/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1. 提高加速性和相关性/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "加速性和相关性本身是相互矛盾的，提高加速性一般会牺牲相关性。从试验技术的角度来看，提高加速性并不难，难就难在同时提高加速性和相关性。不管从客户要求或技术发展方面看，提高加速性和相关性是气候环境试验技术的重要发展方向。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2. 开发多因素综合试验/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "由于材料在自然环境中受到多种复杂因素的综合作用，因而要更真实地再现材料在自然环境中的腐蚀和老化，必须尽可能综合考虑多种自然环境因素。近几年，模拟海洋性气候环境的加速试验方法向多因素试验方向发展。多因素模拟加速试验方法分为多因素组合循环模拟加速试验方法和多因素模拟加速试验方法。多因素模拟加速试验方法由于考虑两个或两个以上主要环境因素的同时作用，能更真实地模拟多种环境因素的协同效应。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "3. 开发环境适应性仿真/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="font-family: " times new roman" "1992/span年span style="font-family: " times new roman" "7/span月，美国国防部研究与工程署在《美国国防部核心技术计划》中，将“环境影响”列为112项核心技术之一，span style="font-family: " times new roman" "2005/span年的技术目标是对大气、海洋、地球和空间环境在自然和人工平台（如飞机、导弹、舰船等）两方面的影响进行研究、建模和仿真。在建模和仿真的研究方面，美国陆军在阿伯丁试验场、红石试验中心、达格威试验场和尤马试验场，开展自然环境和诱发环境对装备及其材料性能影响的虚拟试验场研究。在环境适应性规律分析和建立数学模型方面，我国学者创造了灰色理论，并在环境影响规律方面得到成功的应用；神经网络仿真模型理论被成功地应用于环境行为规律的建模和仿真。在积累大量可靠基础数据的基础上，实现对装备环境适应性进行仿真是装备环境工程的发展方向和目标。/ppbr//p

武钢研究院首次导入日本最新型大吨位大样品双电源热模拟Thermecmastor-Z,300KN,1000mm/s,30x30x150mm　　滨州创元设备机械制造有限公司全权代理的日本富士电波公司最新型大吨位大样品双电源热模拟Thermecmastor-Z,300KN,1000mm/s，30x30x150mm在武钢举行的国际招标会上以技术领先取胜，独家投标中标.已于近日获得中标通知。　　武钢和宝钢1987年，1991年首次分别导入该日本公司10吨的热模拟装置Thermecmastor-Z,100KN。2009年宝钢再次导入新型15吨热模拟Thermecmastor-Z,150KN和世界上最新的10吨扭转热模拟Thermecmastor-TS。此次武钢选择的时日本公司最先进型号30吨热模拟Thermecmastor-Z,300KN。武钢和宝钢近年都是时隔近20年后第2次选择购买该公司热模拟，说明中国钢铁巨头对该公司设备的青睐。相信会有越来越多的中国钢铁企业选择日本热模拟。预计会像日本新日铁，JFE等公司一样将在不同时期购买7-10热模拟装置。 最新型大吨位大样品双电源热模拟（Thermecmastor-Z,300KN,1000mm/s,30x-30x150mm）具有如下几个特点使用极为方便所有拉-压-焊等所有功能都是一体化的。在同一个模块，在同一个不锈钢真空腔体上完成。不需要像其他公司那样对应不同试验要更换繁重复杂的轨道式模块-----如液压楔模块切换等。日本的热模拟使用非常方便，一个小姑娘即可简单地完成所以试验工作。CCT/TTT曲线数据较为准确 由于测试CCT/TTT曲线所用的每一个膨胀数据都是使用高频电源加热获得的。加热前后，变形前后样品上没有任何外加载荷。避免了像其他公司那样试样上始终有通电加热用之巨大电极夹头自重以及试样二端预载荷存在的影响。此外，试样上的微小膨胀量变化可以通过2400次/秒的LED光束实时非接触式监控。避免了像其他公司那样采用机械式玻璃棒测量圆柱膨胀量时不可避免地产生的各种机械误差。世界上首次同时采用双电源---均温范围大30x30mm试样加热冷却均温范围大,可以实现30x30mm的均温范围。轴向和径向温差都较别的公司均匀得多。因而平面应变数据也较别的公司精确得多。世界上最大吨位---30吨使得变形加工后的大样品仍然可以抽出拉伸和冲击试样对于金属材料研究者来说一直蒙昧以求的是实现真正意义上的成分-变形-热处理-组织-性能能够在同一根样品上完成。这一点必然要求式样尺寸足够大。试样尺寸大导致轴向和径向温度梯度加大。这要求有更大的油压吨位。导致控制难度增加。日本分别解决了双电源法以及大吨位控制问题。所以实现了这一点。相信这个模拟能力或许将改变现行钢材的力学性能的检验程序。不仅仅检测从炉子里出来后的拉伸性能和冲击性能。对扎制后的拉伸性能和冲击性能也要列为检验对象。通过这个大试样的热模拟结果可以很好的真正控制最后的扎制工艺和力学性能。

近日，中国科学院大连化学物理研究所分子模拟与设计研究组研究员李国辉团队受邀在Current Opinion in Structural Biology上发表综述文章Multiscale Simulations of Large Complexes in Conjunction with Cryo-EM Analysis，系统介绍冷冻电镜技术和多尺度分子模拟相结合在生物大分子复合体结构和功能调控关系上的突破和方向。　　李国辉团队长期致力于理论与计算生物学方法发展与应用等方面的研究，近年来在生物大分子动力学功能机理之间关系的理论计算研究方面取得丰硕成果，引起广泛关注。　　该综述在生物大分子复合体研究的复杂性和挑战性背景下，回顾了近两年利用多尺度分子模拟和日趋成熟的单细胞冷冻电镜技术相结合的方法，在蛋白质-RNA/DNA复合体、蛋白质-蛋白质复合体、膜蛋白复合体等复杂生物体系多蛋白组装动态调控机制的相关研究，重点阐述了结合分子模拟和单细胞冷冻电镜方法自身特点和优势在复杂大分子生物体系时间和空间尺度的不断突破的观点，并提出未来挑战与发展趋势。相关研究广泛涉及生物化学、分子生物学、细胞生物学、生物物理学、计算生物学、化学等领域。　　相关工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等的支持。结合冷冻电镜技术和多尺度模拟分析大型生物复合体动态组装和调控机制

剪切应力模拟器polyshear----模拟液体涂料和油漆的剪切效应在涂装车间或喷涂线上，涂料需从不同口径、不同排布的管道、减压器和泵中输送。此过程中会产生剪切力，这些剪切力可能会导致涂料的降解，变质，粘度和色彩的改变。通过使用德国orontec公司生产的polyshear剪切应力模拟器，可以判断某种涂料原料是否会在输送管道和搅拌中产生问题，降低风险。德国orontec公司制造的polyshear剪切应力模拟器可模拟合理测试时间中的剪切应力。包括与工业环境相关联的涂料管道。剪切应力模拟器polyshear仅使用确定的剪切力元件，装置体积小巧且有优秀的重复性。剪切应力模拟器polyshear客户剪切应力模拟器polyshear广泛运用在涂料，汽车油漆，以及工业喷涂线等领域，发挥出重要的作用。部分客户如下：polyshear剪切应力模拟器工作原理---泵跟剪切应力元件是剪切应力两个重要影响因素油漆在喷漆车间的管道中循环时，会在管道内的各种元件流动，在剪切力的作用下发生粘度和颜色改变，从而造成喷涂时的质量问题。使用剪切应力模拟器，可以重现这过程，为进料检验，产品优化提供快速有效的方法。☞ 泵以活塞泵为例，如下图所示，剪切应力总是发生在重要部位上（直径最小的位置），剪切率可以达到15000 1/s。以齿轮泵为例，如下图所示，剪切应力总是发生在重要部分上（齿轮口边缘），剪切率可以达到10000 1/s。☞ 剪切应力元件德国orontec的剪切应力模拟器中有个重要的剪切应力元件，可以模拟涂料在管道中受到的压力情况，如下图左所示，关闭剪切应力元件上的膜时引起的压力变化。压力的变化会改变流速，如下图右所示，剪切应力元件上膜关闭后，流速为0.12kg/s。剪切应力元件也可以很好的模拟涂料在管道中受到的剪切率，如下图所示，剪切应力元件可以达到大于10000 1/s的剪切率。涂料的颜色受到剪切应力的影响，如下图所示，在泵的作用下，涂料颗粒大小的分布发生了变化，因此模拟涂料在管道中受到的剪切应力，可以帮助客户对进料进行检验。剪切应力模拟器polyshear的基础模块由一个小机动柜组成，只需一个6条的压力线即可运行。喷涂材料充满小罐（1l）后，在泵的作用下通过剪切应力元件流动。其循环流动次数与涂装输送管道有良好的相关性，且相关性已被研究证明。在测试过程中或在测试后，都可以检测样品的粘性和颜色(使用液体涂料色浆测色系统lcm)，由此可得出剪切应力与材料降解的相关性。与此同时，在基础模块上可额外添加额外的配件，例如有自动停功能的循环次数计数器、温度传感器。此外，还有另一型号可测试5升样品，此型号可装在手推车上并可以移到如喷涂机器人等装置上。剪切应力模拟器polyshear特点✔专为实验室研制，机动性强且占用空间小。✔涂料测试量仅为1l✔高重复性与与重现性✔与工业喷涂线有优秀的关联性(例如automotive oem paint shops)✔较短的循环周期✔模块化安装，基础模块可以通过更高级的在线测量传感器扩展✔可实现与模拟软件相结合✔可与lcm液体测色系统实现无缝联接✔德国fraunhofer ifam, bremen开发并获得专利剪切应力模拟器polyshear基础型号内部结构说明剪切应力模拟器polyshear基础型号技术参数材质不锈钢外壳和连接器用于测试观察和控制的玻璃窗尺寸长: 400 mm,宽: 660 mm,高: 640 mm重量约56kg压力锅体积约1 l最大压力输入6 bar最大材料压力21 bar泵比约3.5:1翁开尔是德国ORONTEC中国总代理，欢迎咨询剪切应力模拟器更多产品信息和技术应用

2014年8月4日，在2014显微镜及显微分析年会(M&M 2014)上，布鲁克推出了ESPRIT DynamicS软件包，一个高度复杂和强大的软件工具，用于获取更真实的高分辨率电子背散射衍射(EBSD)模拟图像。　　EBSD依赖于利用扫描电镜进行样品显微分析得到的菊池电子衍射花样。ESPRIT DynamicS是第一款利用电子衍射的动力学理论计算菊池图像的商用软件。电子衍射的动力学理论将图案生成的所有物理效应和参数考虑在内，例如晶格参数、电子束的能量，晶体结构的对称性和化学成分等。基于这款革命性的软件，充分利用计算能力，可在令人难以置信的短时间内提供具有丰富细节的高分辨率模拟图像。　　ESPRIT DynamicS适用于所有品牌的EBSD。轻松模拟菊池图案是它最基本的功能，它还可以进行精确的晶体取向分析和准确的物相鉴定，同时也是优化系统校准的非常有用的工具，以及获取其他方法无法得到的模拟细节，如高阶劳厄区(HOLZ)环或非中心对称晶体图案。　　ESPRIT DynamicS支持以各种格式定义的晶相的输入，如ESPRIT XML相列表，晶体学信息文件(CIF)，或者PowderCell文件(CEL)。任意的电子背散射衍射图案可以通用图形格式导入。模拟结果以主文件的形式进行存储，包括特定晶相的完整衍射数据，使得后续的针对模拟数据进行投射、旋转操作变得简便。（编译：秦丽娟）

p style="text-align: justify text-indent: 2em "多相流反应器广泛存在于能源、资源、环境、冶金、环保等领域，其流体力学以及反应等行为对描绘反应器特征、指导反应器设计及优化、工程放大和运行都具有至关重要的作用。然而，多相流体系是非线性非平衡的复杂系统，对所研究体系进行合理建模与应用一直是众多行业的难点和热点。为了提高对多相流体系的系统认识和计算流体力学软件Fluent在各行业的应用水平，颗粒在线联合中科阜阳战略新材料产业技术研究院分别将于2019年11月14-15日及2019年12月7-8日举办两期“Fluent多相流模拟技术与应用”培训班。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "本次培训旨在通过对前沿的多相流模型、Fluent方法及应用进行全面的讲解，对实战案例深度解析并结合上机实践，帮助学员提高Fluent多相流数值模拟计算技术应用水平、学会利用Fluent软件进行项目应用模拟，有效地解决工作中遇到的实际问题。欢迎广大相关企事业单位科技工作者踊跃报名参加！/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong一、 主办单位/strongspan style="text-indent: 2em " /span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "颗粒在线/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong二、 支持单位/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "中科阜阳战略新材料产业技术研究院/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong三、 培训时间地点/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2019年11月14-15日（第一期）· 北京/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2019年12月07-08日（第二期）· 北京/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "本培训班分别举办两期，内容相同，学员可自主选择培训时间进行学习。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong四、 培训目标/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1. 从多相流概念概述到模型分类和求解的全方位夯实模拟水平，系统梳理基础知识要点；/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2. 充分提高Fluent多相流模拟计算技术应用水平，解决实际模拟问题，加强对多相流模型和算法的理解；/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "3. 能够利用Fluent软件进行具体的项目应用，有效地解决科研工作中遇到的实际问题。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong五、 培训内容/strong/pp style="text-align:center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/80973849-29e1-4eb6-a3cb-16653e5950a4.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong六、 培训专家/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "培训专家为中科院多相流领域一线专家，拥有多年相关科研及项目经历，授课经验丰富，长期从事多相复杂系统的建模与应用相关工作。精通ICEM、Gambit、 Fluent、IcePak等系列产品。主持多项国家级科研项目和企业合作研发工程项目，拥有丰富的科研及工程技术经验、资深的技术底蕴和专业背景。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong七、 培训对象span style="text-indent: 2em " /span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "从事煤燃烧、煤化工、石油化工、污水处理、燃烧与化学反应流、航空航天、石油天然气、化工、环境、生物流体、水利、冶金、建筑及相关学科的数值模拟研发人员，国内各省市大学相关专业的本科生、研究生、老师以及从事相关领域工作的企业单位技术人员和工程师等。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong八、 培训费用/strong/pp style="text-align:center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/5d19857e-3b94-42c1-bcad-ecd202305979.jpg" title="2.jpg" alt="2.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "备注：以上费用包含两日午餐，不包含晚餐及住宿费。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "现金、转账、支付宝或支票支付均可，不支持刷卡支付。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "现金或支票支付可在第一天报到时交费，转账或支付宝交费，请联系会务组索取账号信息；如需发票，请提前告知，并登录官网下载报名回执表填写后发送至邮箱service@kelionline.com。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong九、 报名方式/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "登录培训官网a href="http://www.kelionline.com/topic/fluent" _src="http://www.kelionline.com/topic/fluent"www.kelionline.com/topic/fluent/a，span style="text-indent: 2em "或扫描以下二维码直接在线报名/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="text-indent: 2em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/97b5717c-5c36-4b4e-9abb-fd025a32b23b.jpg" title="3.jpg" alt="3.jpg"//span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong十、特别提醒/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "1、学员需自带电脑进行实际案例操作；/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "2、为保证学习质量，采用小班制模式授课，每期培训班名额控制在20名以内，报满截止；/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "3、报名确认函将于培训前发至您的邮箱，请注意查收。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong十一、 会务组联系方式/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "联系人： 符老师、 张老师/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "电话： 18501191885（微信同号）、 15801214828（微信同号）/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "E-mail：service@kelionline.com/p

记者8日从中国科学院大气物理研究所(中科院大气所)获悉，由该所主办、济南市科学技术局协办的“城市碳达峰碳中和高端战略研讨会”当天下午在山东济南举行，中国首个城市双碳模拟器在会上发布，将对城市绿色低碳高质量发展提供重要数值模拟技术平台，为政府碳排放动态调控和产业优化升级管理提供有力科学支撑，为中国众多城市实现碳达峰目标和碳中和愿景做出贡献。中科院大气所主办“城市碳达峰碳中和高端战略研讨会”并发布首个城市双碳模拟器。　当天首发的城市双碳模拟器，是由齐鲁中科碳中和研究院研究团队，基于中科院大气所牵头建立的地球系统数值模拟国家大科学装置——地球模拟器“寰”(EarthLab)，以及配套的国际先进水平的地球模型系统研制而成，充分考虑到城市双碳功能定位和需求，对复杂系统进行顶层构建和精细化设计。“寰”是中国首个具有自主知识产权的专用地球系统数值模拟装置，它以地球系统各圈层数值模拟软件系统为核心，实现软、硬件最佳适配，具有建构数字“孪生”地球系统的能力，其综合技术水平位于世界前列。最新发布的城市双碳模拟器被称为1.0版系统，其主要功能包括天空地碳监测多源数据的预处理、碳源汇动态模拟反演、减污降碳协同模拟、碳达峰碳中和预测和路径优化、城市风光资源评估与模拟预测、双碳与气候效应以及跨界碳输送模拟和预测等功能板块。该模拟器的研发以济南市为应用目标，充分考虑通用性和易移植性，可推广至各级行政区域、河流流域、不同规模的各种类型园区、不同行业或领域，通过提供碳达峰与碳中和进程、碳源汇时空变化、碳污动态协同演进、未来双碳情景预测、双碳全景可视化等，可服务各级政府、各个行业部门等，使碳排放和碳汇监测、核算、预测预警、调度管理等实现数字化和智能化，实现数字双碳动态管理。据了解，目前，济南版城市双碳模拟器的大气二氧化碳模拟和同化反演子模块，已经顺利移植到国家超级计算济南中心服务器上并成功运行，开始为济南碳监测试点提供技术支持。城市碳达峰碳中和高端战略研讨会上，与会专家学者代表围绕城市尺度碳达峰碳中和科技支撑工作进行深入研讨，聚焦碳达峰碳中和最新科技进展，包括碳源汇宏观管理、城市和区域温室气体监测、碳模拟和同化反演技术方法等议题，针对城市碳达峰碳中和实施工作中的难点与挑战建言献策。

据物理学家组织网11月20日报道，美国加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)研究人员研制的一种便携、准确、高灵敏设备，可嗅探出从炸药和其他物质发出的蒸汽。　　研究人员使用微流体纳米技术设计的该探测器，能模拟隐藏在犬类嗅觉受体后的生物机制。该设备既对追踪特定蒸汽分子高度灵敏，又能明确将某一特定物质与相似分子区别开来。　　研究人员表示，狗仍然是利用气味检测爆炸物的黄金标准。但就像人一样，狗也有状况好或坏的一天，也有疲累或烦躁的时候。新研制的设备有着与狗鼻相同或更高的灵敏度，反馈回计算机的数据可显示其检测到了何种类型的分子。　　此项技术的关键在于融合了机械工程学和化学的原理。发表在本月《分析化学》上的该研究成果表明，该设备可检测一种化学名为2,4-二硝基甲苯的空气分子，这是TNT炸药散发出蒸汽的主要成分。人鼻无法探测到微量的这种物质，一直以来主要依靠嗅探犬跟踪此类分子。该技术的灵感就来自于生物学设计乃至犬类嗅觉黏液层的微尺度。　　该设备能实时检测和识别浓度在1ppb(十亿分之一)或以下的某类分子，其特异性和灵敏度是无与伦比的。包装在一个指纹大小硅微芯片中的该设备，其底层技术结合了自由表面微流体学和表面增强拉曼光谱学，用以增强捕获和识别分子的能力。　　一个微尺度流体通道最多能吸收和汇聚6个数量级的分子。蒸汽分子一旦被吸收进微通道，在激光激励下就与能放大其光谱特征的纳米粒子相互作用，装有光谱特征数据库的计算机就能识别捕获到的分子类型。研究人员表示，该项技术也能扩展到某些疾病的诊断或毒品检测等。

近日，中国科学技术大学研究团队在微波精密测量、海洋地震勘探和大气数值模拟方面取得多项科技研发成果。基于里德堡原子的微波测量实现精密探测！中国科大郭光灿院士团队史保森、丁冬生课题组利用人工智能的方法，聚焦量子模拟和量子精密测量科学研究，实现了基于里德堡原子多频率微波的精密探测，相关成果日前发表于《自然-通讯》。具有较大电偶极矩的里德堡原子作为微波测量体系具有广泛应用前景，但多频率微波在原子中会引起复杂干涉模式，从而严重干扰信号接收与识别，这是基于里德堡原子的微波测量领域的诸多难题之一。因此，该成果对原子分子光物理学领域的研究具有重大意义，且该成果提出的是在不求解主方程的情况下有效探测多频率微波电场的方案，且在硬件上没有太高要求即可实现较高精度，为精密测量领域与神经网络交叉结合提供了重要参考，在通信、雷达探测等领域具有重要应用前景。高精度深水油气地震勘探数据采集装备成功应用于我国海洋地震勘探数据采集，打破了国际技术封锁和价格垄断！中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室曹平副教授团队，把在先进加速器、对撞机等大科学装置研究和建设上积累的先进的电子学测量技术和方法，应用于海洋石油勘探的重大国民经济领域，并与中海油田服务股份有限公司联合研发了高精度深水油气地震勘探数据采集装备。油气勘探是整个石油工业的基础和先导，关系着国民经济的发展和国家的战略安全。然而我国油气勘探，尤其是海洋油气勘探，所用的几乎全是进口装备，进口装备贵且在重要技术上对我国进行了限制，严重阻碍了我国勘探技术的发展。研究团队攻克了超长距离一体化精密采集传输、大覆盖范围多缆全局精确同步、可扩展的海量数据实时读出、水下电缆高可靠作业支撑等一系列关键核心技术难题，这套装备具备高密度采集、宽覆盖超长缆作业和可靠的海上作业等特点，可分辨相差1600万倍的信号，总探测覆盖面积达十几平方公里，精密采集通道规模达数万道，与国际水平相比，该装备的同步技术指标要高20倍，传输能力高1倍，下潜深度也突破了国外的沉放深度限制。新研发填补了国内外大气数值模拟的空白！中国科学技术大学科研团队基于新一代国产神威超算平台，研发了包含大气成分演变过程的全球高分辨率非静力平衡大气数值模式iAMAS，在大规模数据读写速度、并行计算效率、规模可扩展性、运行时效性等多个方面填补了国内外大气数值模拟的空白。

浙江工商大学食品与生物工程学院陈建设教授课题组设计并制作了兼备人舌表面微结构与化学性质的柔性仿生人舌基底应用于口腔软摩擦研究，相关研究成果在口腔软摩擦的体外模拟测试研究中具有重要的应用前景。该成果以“Development of a simulated tongue substrate for in vitro soft “oral” tribology study”为题发表于《Food Hydrocolloids》期刊。尽管近年来在将摩擦学装置应用于口腔摩擦学方面的研究取得了很大进展，但目前广泛应用的体外口腔摩擦学测试技术常使用具有光滑表面的金属与弹性体，对真实舌面的复杂特征及其物理性能的模拟仍不完全。哺乳动物舌表面有着复杂的几何结构，其粗糙度通常在数百微米，主要由富含味蕾细胞的菌状乳突以及底部包含机械感受神经末梢的丝状乳突随机分布构成。人舌的高变形性和复杂的拓扑结构结合唾液的润湿，控制着食物/口腔黏膜和人舌之间的摩擦和润滑。 研究团队在之前研究中，利用结构光学技术对于舌面分区的粗糙度进行人群统计，基于以上研究背景，该团队进一步探究舌面乳突形貌与舌面粗糙度的关系，基于此，设计模型丝状乳突微结构并依据人群特征，制作三类模拟丝状乳突微结构与分布的人舌基底。研究团队采用面投影微立体光刻3D打印技术(nanoArch S140，摩方精密)高效、精准地实现了上述设计微结构的模具制备。图一模拟人舌基底三维模型及利用PDMS浇铸脱膜后的基底的微结构(模具尺寸：79 mm×39 mm由三块25 mm×35 mm区域构成，其中T1，T2，T3区分别分布4900，3760，2600个模拟乳突)图二 T3类模拟人舌基底的体外软摩擦测试结果(T1,T2显示相同趋势)摩擦试验结果显示不同黏度近黏度流体可构建完整构建Stribeck曲线，除此之外，利用模拟人舌基底测试时，边界润滑层获得表观摩擦系数值相较于使用光滑基底出现显著降低(≈1)，与团队原位摩擦测试结果更为接近,证明应用具备一定人舌扑拓结构的基底于体外摩擦测试具有更好的模拟真实口腔软摩擦行为的潜力。 该工作得到国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金的支持。官网：https://www.bmftec.cn/links/7

300mm大硅片是集成电路制造不可或缺的基础材料，对整个集成电路产业的发展起着关键支撑作用。针对我国集成电路制造行业对低氧高阻、近零缺陷等硅片产品的迫切需求，亟需解决大直径、高质量硅单晶晶体生长技术中的氧杂质输运、晶体缺陷调控等基础科学问题，进而开发大直径单晶晶体生长技术，实现特定的晶体杂质、缺陷的人工调控，满足射频、存储等领域的应用需求。 　　近日，中科院微系统所魏星研究员团队，在300mm晶体生长的数值模拟研究领域取得重要进展。该团队自主开发了耦合横向磁场的三维晶体生长传热传质模型，并首次揭示了晶体感应电流对硅熔体内对流和传热传质的影响机制，相关成果于2023年05月以 “Effects of induced current in crystal on melt flow and melt-crystal interface during industrial 300 mm Czochralski silicon crystal growth with transverse magnetic field”为题，发表在美国化学会旗下晶体学领域的旗舰期刊《Crystal growth & design》上。 　　在本工作中，通过对比三组仿真结果，系统的分析了晶体电导率、磁场强度、晶转速率这三个关键参数对晶体内感应电流的影响，进而分析了其对熔体对流、温度分布和界面形状的影响。结合实验数据，模型准确性得以验证，并预测了建模所需的合理的晶体电导率。研究结果表明，当晶体中感应电流增加时，界面下强制对流的驱动力逐渐从离心力转变为洛伦兹力，并改变强制对流的旋转方向，从而影响固液界面形状。这项研究弥补了传统模型的忽略晶体感应电流的不足，首次系统地揭示了晶转引起的感应电流以及关键工艺参数对传热传质、固液界面等的影响，大大提高了仿真结果的准确性，为近零缺陷硅片产品晶体生长技术的优化提供了理论支撑。 　　中科院上海微系统所陈松松助理研究员为文章的第一作者，魏星研究员为通讯作者。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所原名中国科学院上海冶金研究所，前身是成立于1928年的国立中央研究院工程研究所，是中国最早的工学研究机构之一。中国科学院上海微系统与信息技术研究所学科领域为：电子科学与技术、信息与通信工程；学科方向为微小卫星、无线传感网络、未来移动通信、微系统技术、信息功能材料与器件。图 1 模型示意图2 (a)晶体感应电流，(b)强制对流驱动力示意图和熔体自由液面温场、流场分布图

SoilScope生态水文过程观测模拟设施在红壤地区观测农作物蒸散量中的应用一、观测背景季节性干旱缺水严重制约着我国红壤区农业的可持续发展。在江西省水土保持科学研究院位于九江市德安县的生态科技园内，利用SoilScope自动称重式蒸渗仪，为红壤地区水文循环过程中的土壤下渗、地下径流和蒸散发等精确测定提供数据支持；为南方红壤蒸发和植物蒸腾研究提供试验手段；为四水(大气水、地表水、土壤水和地下水)转化、SPAC(土壤-作物-大气连续体)系统水分循环研究提供支撑。图1 SoilScope生态水文过程观测模拟设施顺利验收二、观测系统布设 SoilScope自动称重式蒸渗仪以第四纪红壤为研究对象，整套系统由罐体、称重系统、地下水连通系统、产流系统、土壤传感器、溶液取样系统和数据采集系统组成图2 SoilScope生态水文过程观测模拟设施外观 三、观测数据采集罐体高2m，面积1㎡，称重范围0-10t，称重系统精度0.1mm。数据每10min自动实时测定和采集，如下图3所示，通过称重数据的变化就可以计算出实时蒸散量图3 称重系统精度和数据实时测定展示 • 采用TDR水分传感器、水势传感器观测20cm、40cm、80cm和180cm深度土壤水分、水势、温度和电导率数据，如下图4所示，数据每60min自动实时测定和采集。图4 自动实时测定和采集不同层次的传感器数据展示• 采用澳作公司自主研发，集数据传输与远程诊断于一体的云服务中心软件Envidata，如下图5所示，独特的多参数曲线同时显示功能，能更好的展示出环境因子的相互作用和影响。图5 云服务中心软件Envidata多参数曲线同时显示功能展示四、观测数据分析以花生为例，在2019年5月8日至8月24日期间，开展了土壤蒸发和植物蒸腾的研究。试验设置2个处理，裸地对照和种植花生处理。图6 SoilScope生态水文过程观测模拟设施观测案例结果显示，降雨过后，土壤含水量增加，而降雨停止，随着时间的延长，土壤含水量逐渐减少。累计降雨量数据和累计罐体重量变化量关系发现，二者具有很好的一致性，降雨增加，累计罐体变化量随之增加。作物蒸散发根据水量平衡公式进行计算，计算方程如下： ET = I + P - R - D + ΔWET是作物蒸散发，mm； I是灌溉水量，mm；P是降雨量，mm R是地表径流量，mm；D是深层渗漏量，mm；ΔW是土壤水分变化量。图7 SoilScope生态水文过程观测模拟设施观测结果结果显示，裸地处理总蒸散量是264mm，而花生则高达392mm，结果符合物理常识。五、观测应用扩展SoilScope蒸渗仪不仅能够为研究作物生长过程进行长期有效的监测，提供完整的和精确度高的数据支撑，而且能够结合气象站、水势仪等设备进行联动试验和拓展运用。目前已经广泛运用于水势调节观测系统、水文观测系统、气象蒸散观测系统和森林生态观测系统等众多领域。图8 SoilScope蒸渗系统工程项目全国分布图更多详情请关注北京澳作生态仪器有限公司网站：www.aozuo.com.cn查询相关仪器资料。更多详细信息请联系 sales@aozuo.com.cn 索要相关资料。