攻克材料界关键难题！燕大团队研究成果接连登上Nature！
2024-02-29 16:36:08
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心田永君院士团队与国内外学者合作，采用功能基元序构的设计策略，通过调控高能亚稳态到低能亚稳态的固态相变，合成出层状基元转角序构的氮化硼陶瓷，成功实现了赋予陶瓷块材室温塑性的重大科学目标。研究成果以“具有高变形能力和强度的转角层状氮化硼陶瓷（Twisted-layer boron nitride ceramic with high deformability and strength）”为题，于2024年2月21日发表于《自然》期刊[Nature 626, 779–784 (2024)]。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07036-5
研究团队利用洋葱结构氮化硼热压和放电等离子烧结过程中的结构相变，合成出一种层状基元转角序构的氮化硼陶瓷块材。这种陶瓷中的氮化硼纳米片呈三维互锁结构，每个纳米片由相对转动不同角度的平行薄片（几层到十几层厚度）为结构基元堆叠而成。这种转角层状氮化硼陶瓷块材具有超乎想象的室温变形能力：在单轴压缩条件下，断裂应变高达14%，比传统陶瓷块材高出一个数量级。令人惊奇的是，这种转角层状氮化硼陶瓷在强度提升至层状六方氮化硼陶瓷6-10倍的情况下，卸载后的永久塑性变形竟然高达~8%，打破了结构材料强度和塑性难以同时提升的传统认知。这种强塑性提升的协同一方面源于转角序构的引入，使材料本征变形能力提升2个数量级；另一方面源于三维互锁的显微组织结构，阻断了扭折、分层、涟漪、位错等的传播，将变形局限在单个纳米片的内部。从而，突显了本征变形能力的贡献而削弱了晶界的负面作用。
转角层状氮化硼陶瓷不仅具有高强度和高塑性，还具有高的能量吸收能力和抗疲劳特性，有望进一步研制出高性能的密封件、阻尼元件、防护装甲等产品。原理上讲，该研究的材料设计和合成策略可拓展到其他层状材料体系，如石墨、MAX相陶瓷等，为进一步研发其他体系的塑性陶瓷提供了启示。
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分子动力学模拟入门理论
——掌握LAMMPS的in文件中实现这些功能的命令
系综理论、主要算法介绍、单位制
积分步长的选取、温度和压力控制
周期性边界条件以及力场简介
分子动力学模拟流程
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1 LAMMPS的基础入门
——初识LAMMPS是什么？能干什么？怎么用？
1.1 LAMMPS在win10和ubuntu系统的安装及使用
1.2 in文件结构格式
1.3 in文件基本语法：结合实例，讲解in文件常用命令
1.4 data文件格式
1.5 LAMMPS常见错误解决途径
☆实例操作：
运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
进阶
（石墨烯、金属材料模拟专题）
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2 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义
——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率
☆实例操作：
2.1 把剪切模型转换成拉伸模型
2.2 lattice命令石墨烯、金属、合金、高熵合金不同形状模型
2.3 石墨烯(不同力场)、金属、合金、高熵合金等拉伸剪切力学性质模拟
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第二天 上午
LAMMPS
进阶
（纳米流体模拟专题）
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3 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义
——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率
☆实例操作：
3.1 把二维couette和poiseuille流动扩展成三维模型
3.2 建立三维管道内的poiseuille流动
3.3 进行石墨烯通道内的Couette流动和Poiseuille流动模拟
3.4 调节通道表面电荷性质、亲疏水性质，分析其对流动性质的影响
3.5 学习使用packmol，建立复杂混合溶液体系模型
3.6 模拟KCl等盐溶液的纳米流体流动
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第二天 下午
LAMMPS
进阶
（热传导模拟专题）
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4 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义
——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率
☆实例操作：
4.1 理解导热系数意义
4.2 掌握lammps计算导热系数的几种方法
4.3 碳纳米管等导热系数的模拟计算
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第三天 上午
LAMMPS
进阶
（多成分体系模拟专题）
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5 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义
——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率
☆实例操作：
5.1 金属、合金、高熵合金的摩擦模拟
5.2 材料切削模拟
5.3 夹层结构(graphene/C60/graphene)在不同粗糙度条件下的摩擦模拟
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第三天 下午
LAMMPS
进阶
（金属、半导体材料的辐照模拟）
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6 离子辐照对石墨烯、金属、碳化硅的离位损伤模拟
6.1 建立模拟体系的初始模型
6.2 PKA动能、位移随时间变化
6.3 点缺陷结构可视化
6.4 点缺陷的数量随时间变化
6.5 点缺陷的空间分布及演化过程
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VMD、OVITO、msi2lmp等有机小分子建模，模型合并及模拟轨迹文件处理等
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第四天 上午
LAMMPS
高级
（自建分子力场参数文件和金属有机框架材料晶体模型）
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7 LAMMPS分子力场文件创建及MOFs材料建模
7.1 介绍固体材料单晶包试验数据结构，掌握基本的材料几何特征
7.2 利用MS软件构建MOFs材料单晶包模型和H2和CO2分子模型
7.3 讲解分子作用势能函数，学习编写MS软件中的力场参数文件（off文件）
7.4 简单介绍巨正则系综Monte Carlo方法
7.5 利用Sorption模块将H2和CO2分子插入到MOFs材料
7.6 编写LAMMPS力场文件（frc文件），并通过lammps程序生成data文件
7.7 运行能量最小化及体系的预松弛
7.8 模拟步骤：包括能量最小化NVT平衡，对研究目标的性质进行长时间轨迹平衡-输出研究所关心的性质。
实例操作：金属有机框架（MOFs）储氢和碳捕集模拟，计算密度分布，分子的MSD等性质。
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第四天 下午
LAMMPS
高级
（分子筛纳米膜分离H2/CO2混合气体模拟）
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8 研究H2/CO2在ZIF-7膜材料中分离性能
——模拟文献Science 346 (6215), 1356-1359的分离过程
8.1 利用MS软件构建ZIF-7膜材料单晶包
8.2 设计H2/CO2与ZIF-7体系模型，再现文献“Science 346 (6215), 1356-1359”的实验过程。
8.3 自定义分子力场文件（frc文件），通过lammps程序生成data文件
8.4 运行能量最小化及体系的预松弛
8.5 模拟步骤：包括能量最小化NVT平衡，对研究目标的性质进行长时间轨迹平衡-输出研究所关心的性质。
实例操作：VMD中查看可视化的动态轨迹，计算密度分布，分子的MSD等，抽取轨迹的动能、势能、总能量等相关数据，对轨迹进行初步分析。
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1. ReaxFF反应力场概述
1.1. ReaxFF反应力场的发展历程和基础
1.2. ReaxFF反应力场参数分枝与详解
1.3. ReaxFF反应力场的应用领域
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2. ReaxFF反应力场基础入门
2.1. 所需输入重要文件详解包括 control, geo, ffield等文件
2.2. 结合实例，讲解输入文件命令行，输出文件
2.3. ReaxFF反应力场简单实例操作及结果查看
2.4. ReaxFF反应力场运行软件安装和配置(standalone ReaxFF,LAMMPS)
2.5. ReaxFF 反应力场的选取和准备
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3. 分子建模，可视与计算软件
3.1. 建模软件gview, material studio
3.2. 可视软件molden, VMD, OVITO
3.3. ReaxFF计算软件 standalone ReaxFF, LAMMPS
3.4 ReaxFF 特殊功能介绍：改变温度体积，产生特定比例混合物，设置电荷，限制优化和扫描，添加删除分子，结果查看和分析等
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4. Lammps实例操作
4.1. LAMMPS运行设置和后处理程序软件ChemTraYzer等的安装和配置
4.2. Lammps燃烧过程简单例子（模拟和分析）
4.3. LAMMPS高级算例：模拟化学摩擦过程（CMP）：建模，loading和shearing过程模拟，结果分析等
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5. ReaxFF进阶实例操作，理解计算模拟的过程及物理意义
实例操作：溶液中的质子转移(JPCB,JPCL文献)
5.1. 建立初始模型：重点注意事项(minimization->nvt->compress->npt->nvt)
5.2. 输入文件设置, 开启输出unfolded坐标文件
5.3. 模拟步骤：能量最小化，压缩，系综平衡等
5.4. VMD查看结果分析：msd，扩散系数，rdf，sdf, 质子追踪等
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实例操作：碳化硅表面石墨烯的生长（Chem. Mater文献）
5.5. 建模与输入文件，表面选取与准备
5.6. 热分解法生长石墨烯，删除表面硅
5.7. cvd法生长石墨烯，添加乙炔分子
5.8. 可视评估石墨烯质量 （模拟结果统计与可视化）
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6. 量子化学软件CP2K入门
6.1. CP2K基本功能介绍
6.2. CP2K的下载和安装
6.3. CP2K的结构文件的建模
6.4. CP2K输入文件讲解和建立
6.5. CP2K输出文件介绍和可视化转化
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7. CP2K结构优化、过渡态搜索和力场开发实例
7.1. CP2K研究有机分子在固体表面的吸附
7.2. CP2K过渡态计算以及结构和能量提取
7.3. ReaxFF反应力场开发所需文件详解
7.4. 提取CP2K计算结果实现ReaxFF训练集的构建
7.5. ReaxFF力场验证
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了解Comsol Multiphysics的建模步骤与方法，熟悉基本操作流程
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建立被动式微混合器的建模分析模型，熟悉多场耦合的原理和实施步骤
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以T型通道中水滴在油流中分离过程为例，实现液滴分离操作建模
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构造不同的通道结构，实现多细胞分离模型的设计与模拟
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以相分离为例，逐个环节讲解单组分多相流SCMP和多组分多相流MCMP的程序实现
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