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亮点文章 | 《物理学报》2024年第8期

已有 112 次阅读 2024-4-26 09:04 |系统分类:论文交流

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力信号对心肌细胞跳动的调控

陈惠燕，李洛非，王炜，曹毅，雷海

物理学报, 2024, 73(8):088701.

doi: 10.7498/aps.73.20240095

心肌细胞的机械行为对生命健康起至关重要的作用，通常认为电信号和化学信号对心肌细胞的行为起调控作用。近年来发现细胞微环境的物理因素能够调控细胞的增殖、铺展、迁移和分化等行为，但其对心肌细胞机械行为的调控研究仍然缺乏。本文制备具有不同杨氏模量的水凝胶以模拟心肌细胞力学微环境，并通过加载力学刺激来探究细胞外基质中不同配体对心肌细胞的力学调控。研究表明机械力信号可以通过基质-配体-细胞的信号通路来调控心肌细胞的跳动，进而引起细胞间的耦合振荡实现心肌细胞的节律控制。这种力信号调控受细胞微环境的杨氏模量、细胞黏附配体种类和密度、以及力信号的强弱和节律三者共同影响，这为理解心率失调和心肌梗死后心力衰竭等疾病提供基础。

图1 心肌细胞在不同种类及浓度配体的基质(E = 11 kPa)上发生机械响应行为 (a) 心肌细胞机械响应百分比 (n > 31)；(b) 心肌细胞产生响应所需的机械刺激时间 (n > 7)；(c)心肌细胞与钨针同频所需的机械刺激时间 (n > 5)；(d) 心肌细胞同频持续时长(n > 5)；(e) 3种不同配体( Laminin / Fibronectin / Collagen I ) 分别与心肌细胞膜受体结合示意图

同行评价

文章关注心肌细胞的机械行为调控，强调了电信号、化学信号以及细胞微环境的物理因素对心肌细胞行为的重要性。研究使用不同模量的水凝胶来模拟心肌细胞的力学微环境，并通过加载力学刺激研究了细胞外基质中不同配体对心肌细胞的力学调控。研究进一步分析了细胞黏附配体种类和密度、以及力信号的强弱和节律对心肌细胞响应的综合影响。这些发现为理解心率失调、心肌梗死后心力衰竭等疾病提供了基础。文章整体脉络清晰，结构严谨，具有创新性与学术价值。

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钙钛矿型CeTaN₂O的高压制备及其磁性和电学性质

陈兆亮，卢达标，叶旭斌，赵浩婷，张杰，潘昭，迟振华，崔田，沈瑶，龙有文

物理学报, 2024, 73(8):080702.

doi: 10.7498/aps.73.20240025

最近研究发现，AB(N,O)₃型钙钛矿氧氮化物具有优异的介电、铁电、光催化等性能，在光电子、能源存储和通信等领域展现出广阔的应用前景。但是，目前该类型材料的制备工艺耗时较长且产物纯度较低。本文以氧化物为前驱体、以氨基钠为氮源，利用六面顶压机设备所提供的高温高压环境成功制备了高纯度的钙钛矿型氧氮化物CeTaN₂O块体材料，并将制备时间缩短至1 h，实现了快速合成。并对其晶体结构以及物理性质进行了系统的研究。X射线粉末衍射实验和Rietveld精修结果表明，所制备的样品属于正交晶系，空间群为Pnma。X射线吸收谱测试确定了样品的电荷组态以及阴离子组合为Ce³⁺Ta⁵⁺N₂O。磁性和比热测试表明，样品属于反铁磁物质，磁相变温度低于2 K。电学输运性能测试表明，样品的电阻率呈现出典型的半导体行为，且符合三维变程跳跃模型。

图1 室温下CeTaN₂O的XRD图谱和结构精修结果，插图给出了晶体结构示意图

同行评价

近年来，AB(N,O)₃型钙钛矿氧氮化物由于优异的性能受到广泛关注。此论文总结了该类材料的结构、物性以及常用的制备方法，并采用高温高压法成功制备了CeTaN₂O材料，成功解决了传统制备方法中存在的问题。对CeTaN₂O物性进行表征得到了其反铁磁性与半导体性质，为深入理解CeTaN₂O的物理性质和应用潜力提供了有力支持。

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限域条件下氮分子的高温高压诱导聚合

郭琳琳，赵梓彤，隋明宏，王鹏，刘冰冰

物理学报, 2024, 73(8):086102.

doi: 10.7498/aps.73.20240173

聚合氮被认为是一种极具潜力的新型高能量密度材料，但是高温高压条件下合成的聚合氮结构往往具有较低热力学稳定性。限域策略有助于聚合氮高压结构的稳定，为氮聚合提供了新的调控途径。本文在氮化硼纳米管中限域分子氮，利用高压原位拉曼散射光谱表征技术研究不同含氮量限域体系的高压诱导氮聚合及聚合氮结构的卸压稳定性。研究表明，在高含氮量的体系中，限域到氮化硼纳米管内的N₂与非限域的N₂的拉曼特征振动峰表现出不同的拉曼光谱压力响应行为。在123 GPa压力下，利用激光加热诱导氮分子间聚合，生成cg-N聚合氮结构。卸压过程中，未被限域的cg-N在40 GPa左右发生爆炸性分解，分解产生的能量影响了限域cg-N的稳定性，使其同样发生分解。环境压力下限域N₂可能以液态形式稳定存在。在低含氮量限域体系中，高温高压下限域N₂结晶生成了含有N=N双键的晶体结构，其中的N=N双键有两种长度，分别接近阴离子及团簇中N=N双键的键长。在卸压过程中这种结构可以稳定至25 GPa。

图1 123 GPa压力下高含氮量N₂@BNNTs样品(a)激光加热前及(b)激光热后样品腔的显微图像；红色圆圈内为样品激光加热区域(c)高含氮量N₂@BNNTs样品激光加热前后的拉曼光谱

同行评价

文章利用激光加热在123GPa压力下，诱导氮分子间聚合生成cg-N，卸压过程中，未被限域的 cg-N 在 40 GPa 左右发生爆炸性分解，分解产生的能量影响了限域 cg-N 的稳定性，使其同样发生分解。环境压力下限域N₂可能以液态形式稳定存在。在低含氮量限域体系中，高温高压下限域N₂结晶生成了含有 N=N 双键的晶体结构，其中的 N=N 双键有两种长度，分别接近 N^3-阴离子及 N⁴⁺ 团簇中 N=N 双键的键长。在卸压过程中这种结构可以稳定至25 GPa，分别接近 N^3-阴离子及 N⁴⁺ 团簇中 N=N 双键的键长。在卸压过程中这种结构可以稳定至25 GPa。该研究为聚合氮结构合成及稳定化提供了新思路，为氮化物的研究开辟了新方向。

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金电极对偶氮苯分子结的结构及其电输运性质的力学调控作用

严岩，孙峰，羊志，孔程昱，葛云龙，陈登辉，邱帅，李宗良

物理学报, 2024, 73(8):088502.

doi: 10.7498/aps.73.20231999

偶氮苯分子因存在顺反两种异构体而表现出不同的电输运性质。为了揭示电极的机械作用对偶氮苯分子的几何结构以及电输运性质的影响，基于第一性原理计算研究了偶氮苯分子在电极挤压和拉伸作用下的结构变化规律，并利用非平衡格林函数方法计算了偶氮苯分子结在拉伸和压缩过程中以及分子在不同形状电极之间的电输运性质。结果表明，顺式和反式偶氮苯分子在电极作用下都具有较稳定的几何结构。其中顺式偶氮苯分子在电极拉至超过反式偶氮苯分子结平衡电极距离0.1 nm时仍保持为顺式结构。而反式偶氮苯分子在电极挤压下虽然发生了弯曲，但当电极距离压缩至短于顺式偶氮苯分子结0.2 nm时，中间的C—N—N—C二面角仍然保持反式结构。在低偏压下，两电极若为平面电极，则反式偶氮苯分子的电导高于顺式偶氮苯分子；若分子连接于两锥形电极尖端，则顺式偶氮苯分子结的电导更高。特别值得关注的是两种偶氮苯分子的导电能力随电极距离的变化正好相反，顺式偶氮苯分子结的电导随电极距离拉伸而增大，反式偶氮苯分子结的电导则随电极距离的压缩而增大。偶氮苯分子结的电导在电极距离变化时最大变化幅度可达10倍以上。

图1 反式偶氮苯分子结在电极压缩过程中 (a) 几何结构、体系能量，(b) 电极作用力以及体系电导的变化曲线，插图为1.85nm电极距离下体系在C—N—N—C两面角的变化过程中出现的能垒以及转动力矩的变化；顺式偶氮苯分子结在电极拉伸过程中(c) 几何结构、能量，(d) 电极作用力以及体系电导的变化曲线，图中所有能量均以反式偶氮苯分子结的能量最低点为能量零点

同行评价

作者基于密度泛函理论研究了偶氮苯分子在电极挤压和拉伸作用下的结构变化规律，并进一步利用非平衡格林函数方法计算了在此过程中分子结的电输运性质。结果表明，顺式和反式偶氮苯分子在电极作用下都具有较稳定的几何结构。分子在电极压缩和拉伸过程中都很难发生顺反异构转换。顺式偶氮苯分子结的电导随着电极距离的拉伸而增大，反式偶氮苯分子结的电导随着电极距离的压缩而增大。这是一个很有意思的结果，这一结果对于从实验中判断偶氮苯在分子结中是顺式还是反式结构，以及在实验中是否发生了顺反异构的转换提供了有价值信息。

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EuBa₂Cu₃O_7–δ超导带材中掺杂相对He+离子辐照缺陷演化及超导电性的影响

赵珀，王建强，陈梅清，杨金学，苏钲雄，卢晨阳，刘华军，洪智勇，高瑞

物理学报, 2024, 73(8):087401.

doi: 10.7498/aps.73.20240124

为探究稀土钡铜氧化物(REBCO)第二代高温超导带材中掺杂相对离子辐照缺陷演化及超导电性的影响机理，本文采用能量为1.4 MeV的He⁺离子对国产化未掺杂和掺杂摩尔分数3.5% BaHfO₃(BHO)的EuBa₂Cu₃O_7–δ带材进行三种不同剂量的室温辐照实验并退火。电学性能测试表明，随着辐照剂量的增加，掺杂带材的临界电流密度仍均高于未掺杂带材并且下降程度更小。透射电镜表征结果证明，超导层中通过掺杂BHO纳米相引入局域应变改变了辐照He缺陷的迁移行为，在一定范围内修复了损伤的超导结构，提高了带材载流能力的辐照耐受性。同时BHO纳米柱作为强钉扎中心使得掺杂带材临界电流密度的磁场依赖性和温度依赖性受辐照影响更小。不同于中子或重离子辐照后，通过退火可以恢复材料一定程度的超导电性，本文中大剂量He⁺离子辐照的两种带材经氧气氛退火后，其电学性能继续恶化。相比于未掺杂带材，掺杂带材中BHO产生的局域应变在高温下抑制了辐照He缺陷在三维方向上的尺寸增长，改变了磁通钉扎特性，延缓了因氦泡长大而造成的超导层结构无序和非晶化。本研究为评估REBCO超导带材在辐照环境下的工况服役行为提供了参考依据。

图1 退火后未掺杂带材和掺杂带材的辐照缺陷演化 (a) 未掺杂带材5×10¹⁶ ions/cm²辐照并退火后峰值区的氦泡分布；(b) BHO掺杂相附近的氦泡形貌；(c) 氦泡沿层错形成一维线状氦泡；(d) 辐照及退火过程中的磁通钉扎演变示意图

同行评价

离子辐照和纳米相掺杂是提高高温超导REBCO 带材磁通钉扎能力的两种重要方法，但结合在未来紧凑型磁约束聚变装置中高温超导磁体所处的辐照环境，鲜有研究报道掺杂相对REBCO 带材辐照损伤效应的影响。作者借鉴金属材料中通过"界面工程"调控其抗辐照行为的思想，利用REBCO 中掺杂相界面引入的微观局域应变场影响辐照缺陷的演化过程从而修复损伤的超导结构，使得REBCO掺杂带材临界电流密度的场依赖型和温度依赖性受辐照影响较小。通过表征分析无掺杂相和掺杂相带材在多种离子辐照剂量下的缺陷演化过程及其电学性能，证明了纳米掺杂相在提高带材超导电性的同时，还有效改善了带材的抗辐照性能。该成果对国产化耐辐照高温超导带材的研发、生产及辐照工况下的服役行为研究提供了参考。

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编辑推荐综述

影响钙钛矿/异质结叠层太阳能电池效率及稳定性的关键问题与解决方法

姚美灵，廖纪星，逯好峰，黄强，崔艳峰，李翔，杨雪莹，白杨

物理学报, 2024, 73(8):088801.

doi: 10.7498/aps.73.20231977

高效且稳定的钙钛矿/异质结叠层太阳能电池是学术界与工业界共同探索的方向，目前小面积叠层太阳能电池效率优势已然非常明显，但在商业化推进过程中，叠层路线在电池结构设计与界面调控、钙钛矿材料选型与优化、器件尺寸放大以及稳定性等方面仍存在许多挑战。本文通过收集相关文献资料，包括实验数据和理论模拟结果，对钙钛矿/异质结叠层太阳能电池的研究现状进行分析，认为未来的研究方向可能涉及叠层顶电池的界面调控及组件互联结构设计等关键问题。因此，文章重点阐述钙钛矿/异质结叠层太阳能电池各关键材料层的优化选型、钙钛矿带隙优化与离子迁移抑制、层间界面传输调控、底电池连接层优化及组件互联与封装方式优化。基于现有研究成果对叠层太阳能电池技术进行了总结和探索展望，旨在为后续叠层太阳能电池结构设计的各关键问题提供方向性解决建议。

图1 叠层电池工作原理，单结(a)和多结(b)光伏电池中的光吸收示意图；叠层太阳能电池中四端子(c)和两端子(d)叠层电池；(e) 金属卤化物钙钛矿的晶体结构

同行评价

作者在这篇综述中详细描述了近十年来钙钛矿异质结叠层电池的进展和挑战，特别关注钙钛矿材料的带隙调节和掺杂设计,异质结底电池的界面设计以及组件连接方法。文末还介绍了作者对钙钛矿/异质结叠层电池技术的挑战和未来发展的想法,有助于更好地了解钙钛矿/异质结叠层电池领域的最新进展和未来的发展。

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静电悬浮条件下液态Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅合金的热物理性质与快速凝固机制

金英捷，耿德路，林茂杰，胡亮，魏炳波

物理学报, 2024, 73(8):086401.

doi: 10.7498/aps.73.20232002

采用静电悬浮实验技术测定了液态Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅合金的热物理性质，并研究了其深过冷快速凝固过程。实验发现，液态合金所获得的最大过冷度可达316 K (0.25T_L)，其密度和表面张力与温度呈线性关系，而黏度则随温度呈指数变化。当过冷度小于259 K时，凝固过程中发生两次再辉现象，分别对应着二相(Zr₆Al₂Ni + Zr₅Ni₄Al)共晶和三元(Zr₆Al₂Ni + Zr₅Ni₄Al + Zr₂Ni)共晶的快速生长。若过冷度超过259 K，凝固过程只发生一次再辉，3个化合物相均可从合金熔体中独立形核，形成三元不规则共晶组织。理论计算和实验表明，小过冷时Zr₆Al₂Ni相优先形核，而当过冷度足够大时，三相能够同时形核。

图1 静电悬浮条件下的Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅合金凝固组织 (a) ΔT = 56 K；(b) ΔT = 316 K

同行评价

本文研究了Zr₆₀Ni₂₅Al₁₅非晶合金体系在形成非晶之前的深过冷状态下凝固时各晶体相之间的形核竞争关系，并且用静电悬浮技术测量了液态的表面张力和粘度。非晶合金的凝固行为对认识非晶形成机理有重要作用，同时也为通过退火方法研究非晶材料的晶化行为提供了一个重要的补充。

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旋转超导转子的氦气阻尼特性

张源，胡新宁，崔春艳，崔旭，牛飞飞，王路忠，王秋良

物理学报, 2024, 73(8):088401.

doi: 10.7498/aps.73.20232011

超导转子磁悬浮装置可制作角速度传感器，超导转子的高速驱动是实现超导转子磁悬浮装置高精度的基础。超导转子的热损耗和径向质量偏心会使超导转子在驱动过程中热失超和共振，所以在超导转子的驱动过程中，超导球腔中需要保持定量的氦气，以此传递超导转子的产热和抑制超导转子的共振。但氦气同时会对超导转子产生阻力，影响超导转子的驱动过程。基于此开展了超导转子在氦气中的阻力矩研究，首先引入范德瓦耳斯方程分析了低温氦气的性质，提出了一种低温氦气对超导转子阻力矩的研究方法，并进行实验验证。然后基于有限元方法分析了超导转子旋转驱动的电磁结构和电磁力矩，并研究了氦气对超导转子加速过程的影响，包括临界驱动速度、超导转子的加速时间和氦气对超导转子的摩擦热等。研究结果提供了一种低温气体对旋转超导体阻力矩的研究方法，为进一步优化超导转子的驱动过程提供参考。

图1 非稀薄气体中转速衰减实验数据与理论计算数据的比较 (a) 40000 Pa；(b) 4000 Pa；(c) 1000 Pa；(d) 200 Pa；(e) 20 Pa；(f) 3.27 Pa

同行评价

超导球腔中的氦气对于传递超导转子运行过程中的产热和抑制超导转子的共振有重要的作用。本论文对于氦气的阻尼特性以及对超导转子旋转特性的影响进行了研究，提出了一种低温氦气对旋转超导转子的阻力矩的分析究方法，并进行了实验验证。然后基于有限元方法分析了超导转子旋转驱动的电磁结构和电磁力矩，并分析了氦气对超导转子加速过程的影响，研究结果提供了一种低温气体对旋转超导体阻力矩的研究方法。

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微重力条件下复杂等离子体中激光诱导马赫锥的三维模拟

黄渝峰，贾文柱，张莹莹，宋远红

物理学报, 2024, 73(8):085202.

doi: 10.7498/aps.73.20231849

基于三维流体力学模型，研究了微重力条件下复杂等离子体中不同耦合参数形式、屏蔽参数、尘埃粒子表面带电量以及等离子体密度对激光诱导尘埃扰动密度形成马赫锥的影响情况。模拟发现，当屏蔽参数较大时，不同的耦合参数形式对尘埃颗粒扰动密度产生较大影响。此外，激光辐射力平行或者垂直激光移动速度时，马赫锥在三维空间中呈对称或反对称形貌。并且，增大屏蔽参数、减小尘埃粒子表面带电量、减小等离子体密度，都会增强尘埃粒子之间的库仑屏蔽作用，进而使尘埃扰动密度形成的马赫锥更加局域在激光斑点附近，表现为扰动范围缩小，而扰动密度值增大。

图1 假设F_L//v_L时，在Z_d=400e，n_e=10⁹cm^-3条件下，尘埃粒子扰动密度n_d1/n_d0 (用n_d0无量纲)　(a)，(c)，(e) x-z平面(y = 0) 形成的马赫锥；(b)，(d)，(f) x-y截面(z = –30)形成的三维对称结构。其中屏蔽参数分别为(a)，(b) κ=2，(c)，(d) κ=1和(e)，(f) κ=0.5

同行评价

作者利用流体模型，模拟研究了微重力条件下激光诱导尘埃等离子体形成的马赫锥特性，详细讨论了耦合参数、屏蔽参数、等离子体密度及尘埃带电量对马赫锥的形貌及分布的影响。这项研究对相关实验具有一定的指导意义。

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氢终端金刚石薄膜生长及其表面结构

马孟宇，蔚翠，何泽召，郭建超，刘庆彬，冯志红

物理学报, 2024, 73(8):088101.

doi: 10.7498/aps.73.20240053

氢终端金刚石的导电性问题是目前限制其在器件领域应用的关键因素。传统的氢终端金刚石制备工艺由于金刚石中含有杂质元素以及表面的加工损伤的存在，限制了氢终端金刚石的电特性。在金刚石衬底上直接外延一层高纯、表面平整的氢终端金刚石薄膜成为一种可行方案，但该方案仍存在薄膜质量表征困难，表面粗糙度较大等问题。本文采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)技术，在含氮CVD金刚石衬底上外延一层亚微米级厚度金刚石薄膜，并研究分析了不同甲烷浓度对金刚石薄膜生长以及导电性能的影响。测试结果显示：金刚石薄膜生长厚度为230—810 nm，且外延层氮浓度含量低于1×10¹⁶ atom/cm³，不同的甲烷浓度生长时，金刚石外延层表面出现了三种生长模式，这主要与金刚石的生长和刻蚀作用相关。经过短时间生长后的金刚石薄膜表面为氢终端(2×1:H)结构，而氧、氮元素在其中的占比极低，这使得生长后的金刚石薄膜具有P型导电特性。霍尔测试结果显示，甲烷浓度为4%条件下生长的氢终端金刚石薄膜导电性最好，其方块电阻为4981 Ω/square，空穴迁移率为207 cm²/(V·s)，有效地提升了氢终端金刚石电特性，为推进大功率金刚石器件发展应用起到支撑作用。