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中国科学：材料科学（英文）
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中国科学：材料科学（英文）/EISCI
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    基于忆阻器的原位卷积策略用于精确盲文识别

    张翔鸿覃琮尧彭文鸿秦宁浦...
    3986-3993页
    查看更多>>摘要：大数据时代下,提高信号处理效率至关重要.由于传统计算架构的计算设备中存储单元和计算单元相互分离,未来将面临着计算效率的限制.基于多电导态器件的阵列电路可实现全硬件卷积神经网络(CNNs),具备提高计算效率的潜力.然而,在处理大规模卷积计算时,仍存在大量器件冗余,导致计算功耗低、计算成本高.本文创新性地提出了一种基于忆阻器的器件级原位卷积策略:以忆阻器的导电丝、掺杂面积和极化面积等的动态变化作为卷积运算过程,单个器件的电导切换所需的时间作为计算结果,通过忆阻器独特的尖峰数字信号体现卷积计算.通过忆阻器将复杂的模拟信号合理地编码为简单的数字信号,成功在单个器件上完成了卷积计算,这对于复杂信号处理和计算效率提高至关重要.在器件级原位卷积计算的基础上,本文进一步实现了盲文信号的特征识别和噪声过滤.本文所提的基于单个忆阻器的器件级原位卷积计算,将推动具有大规模卷积计算能力的复杂CNNs的构建,促进神经形态计算领域的创新和发展.

    convolutional computingmulti-conductormem-ristorconductive filaments

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    甲基膦酸二甲酯改性的不易燃PVDF基凝胶聚合物电解质用于宽温域、长循环寿命和高安全性锂金属电池

    赵媛君答欣宇秦棪阳贾鑫...
    3994-4004页
    查看更多>>摘要：凝胶聚合物电解质(GPEs)被认为是开发具有高能量密度和高安全性的锂金属电池(LMBs)的有希望的候选材料,然而大多数报道的GPEs是易燃的,使得LMBs仍然面临巨大的安全风险.在这里,我们使用甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为功能性阻燃剂和增塑剂,用于聚偏二氟乙烯(PVDF)基质,开发了一种新型的不易燃PVDF-DMMP GPEs用于LMBs.这种DMMP不仅极大地增强了PVDF-DMMP GPEs的阻燃性,还有效提高了锂盐的解离效率和锂离子的快速传输,同时还有助于形成稳定且坚固的CEI/SEI层.因此,超薄的PVDF-DMMP GPEs(约20微米)展现出卓越的阻燃性、高离子导电性(在30℃下为1.34×10-3 S cm-1)、快速的锂离子迁移(在30℃下tLi.=0.59)、在30-80℃下具有宽的电化学稳定性电压窗口(超过4 V)以及均匀的锂沉积.当用于Li||Li对称电池、Li||LiFePO4(LFP)和Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全电池时,不易燃的PVDF-DMMP GPEs能够使这些电池同时具有长期循环稳定性、高倍率性能、宽温度工作范围(从-20到80℃)和高安全性.即使在遭受严苛的破坏性测试时,Li|PVDF-DMMP GPEs|LFP软包电池仍然正常工作,没有任何安全风险.实际的软包电池能量密度高达508 Wh kg-1.因此,我们的工作可以为设计高安全性和高能量密度的LMBs提供新的策略.

    lithium metal batteriesgel polymer electrolyteflame resistancePVDF

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    硫氮双掺杂石墨二炔作为锌-空气电池的高效无金属电催化剂

    霍孟田孙建航刘薇李倩羽...
    4005-4012页
    查看更多>>摘要：通过密度泛函理论(DFT)计算与实验相结合的方法,硫氮双掺杂石墨炔(NSGD)是一种极具潜力的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)助催化剂.DFT揭示了氮和硫的掺杂显著改变了材料的吸附特性,从而显著提升了ORR活性.其中,NSGD-800催化剂的ORR半波电位高达0.754 V,表现出优异的催化性能.同时,当NSGD-800与商业RuO2机械混合后的OER活性和稳定性得到显著增强.研究结果表明,石墨炔(GDY)独特的富乙炔结构使其成为锚定金属的理想载体,而具有强d-π相互作用的氧化物可进一步提高OER的活性和稳定性.由上述制备的硫氮双掺杂石墨炔基ORR与OER催化剂组装的锌空电池(ZAB)展现出卓越的性能,其最大功率密度达到87.3 mW cm-2并且具有更长的充放电循环稳定性.这些优异特性使NSGD成为ZAB及其他储能转换装置空气电极的理想选择.

    metal-free catalystsoxygen reduction reactiondual-dopinggraphdiynezinc-air battery

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    可漂浮单原子铁-TiO2/水凝胶复合材料用于光催化降解水体中污染物

    焦莹莹程志勇罗浩赵秋平...
    4013-4020页
    查看更多>>摘要：开发高效、低成本的光催化剂降解有机污染物已成为环境修复的有效途径.然而,传统粉末催化剂在光催化技术中的实际应用受到回收能力低、聚集和二次污染等风险的限制.本文采用简易的浸渍法合成了一种漂浮的单原子铁掺杂TiO2(FTH)复合材料,用于罗丹明B的降解.光降解结果表明,与TiO2相比,FTH复合材料具有更高的光催化效率,降解率为95.6％.优异的漂浮性为污染物在空气/水界面与光催化剂、O2发生光反应提供了大量的反应位点,从而增强了光催化性能.同时,吸附在FTH表面的罗丹明B单独在空气中光照仍能被快速去除,说明FTH在空气中即可降解RhB,表现出较强的自净化与自恢复能力.本研究提出的可漂浮水凝胶纳米复合材料为太阳能降解水体污染物提供了潜在解决方案.

    TiO2photocatalysishydrogelsdegradation

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    用于微波吸收和电磁干扰屏蔽的具有增强界面损耗的异维结构

    管洪州王站站王梦奇翟华嶂...
    4021-4030页
    查看更多>>摘要：研究高性能的多功能电磁材料是吸波领域的挑战之一.为提高电磁波衰减能力、拓宽吸波材料的应用范围,合理设计材料结构和界面是优化其有效吸收带宽的重要途径.因此,本文采用原位刻蚀法、牺牲模板法和冷冻干燥技术成功制备了多界面、强极化的异维CuS/Ti3-C2TX复合材料.通过优化CuS/Ti3C2TX的复合比例和负载量,改进其吸波性能.CT55的最大RL可达到-54.6 dB,EAB达到4.72 GHz,几乎覆盖Ku波段.优良的吸波性能得益于CuS/Ti3C2TX的界面极化、多重散射和偶极子极化.此外,CT37还具有高达23.9 dB的屏蔽性能.将球形结构与片层结构设计为新型"异维"结构,实现了宽带微波吸收和电磁防护.

    heterodimensional structureCuS/Ti3C2TXmicro-wave absorption

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    磁性软材料的光热编程实现复杂且可重构的三维形变

    鲍义文李霁雨汪韬王柳...
    4031-4039页
    查看更多>>摘要：响应性软材料能够在外部刺激下进行复杂、可逆且快速的几何变形,在微创医学、可穿戴设备和软体机器人等领域具有巨大应用潜力.在本研究中,我们提出了一种通过光热编程设计可重构三维变形磁性软材料的新方法.通过将硬磁性颗粒嵌入由纤维状聚吡咯(PPy)和半结晶聚合物组成的聚合物材料中,我们开发出了一种磁性复合材料,该材料可以在外部磁场下进行远程控制,实现精确的可编程变形.该方法重要的创新点在于,利用PPy的光热效应,当材料受到红外光辐照时,复合材料的黏度发生暂时改变,从而允许磁性颗粒进行动态可控定向运动;冷却后,磁性各向异性固化,材料能够快速且可逆地进行几何变形.该方法能够对磁化分布进行精细控制,从而开发出多功能设备,具有诸如软体机器人复杂三维变形、多模态电气开关、可重写的快速响应码以及可变形夹具等多种潜在应用.本研究不仅加深了对软材料中磁矩编程的理解,也为自适应和响应性材料的设计开辟了新的途径,推动了先进技术应用的发展.

    photothermal reprogrammingmagnetic soft mate-rials3D deformationsoft roboticsresponsive materials

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    可实现超大拉伸应变的纳米尺寸硅机械超材料

    黄语恒尹奎波高子健李炳辉...
    4040-4048页
    查看更多>>摘要：不同于体硅材料在室温下的固有脆性特征,纳米尺寸硅材料因尺寸效应表现出更高的强度、塑性和滞弹性.然而,由于实验条件严苛,硅纳米结构的超大拉伸性能尚未得到证实.本研究通过对纳米尺寸硅样品进行转移、加工和测试等实验设计,在扫描电子显微镜中实现了纳米尺寸硅机械超材料原位拉伸测试,观察到高达95％超大拉伸应变.有限元仿真、原子级透射电子显微镜表征和分子动力学模拟表明,硅机械超材料的变形能力是聚焦离子束诱导尺寸软化和机械超材料几何结构力学改性共同作用的结果.本工作不仅有助于纳米材料、结构的强度、变形行为机理研究,也为硅纳米材料在纳机电系统和纳米应变工程中的潜在应用提供指导.

    Sisize effectmechanical metamaterialnano-structuretensile strain

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    含可降解的亚硫酸酯键的可升级回收光聚合物助力实现可持续3D打印

    刘贝涛张慈剑李佳惠张广胜...
    4049-4058页
    查看更多>>摘要：光固化3D打印技术的发展极大地增强了各领域的制造能力,但光敏聚合物的强交联网络不仅限制了光固化3D打印技术在信息加密领域的应用,同时其不可降解和回收性还加剧了环境危机.基于此,本研究设计了一种可降解的热固性光聚合物,通过在聚合物结构中引入可降解的亚硫酸酯键来实现信息加密和特定条件下的解密.由于亚硫酸酯键在酸性条件下水解时的自催化作用,该光聚合物可在温和条件下快速降解(50℃,45 min).利用所开发的光聚合物可降解的特点,结合光固化3D打印技术,我们建立了一个高度安全的降解-紫外线双重信息加密系统.此外,信息解密过程中被降解的光聚合物经过简单的一步改性后,可用于制备功率密度为325.7μW cm-2(一个太阳光强下)的高性能光电转换器.本工作不仅促进了基于3D打印技术的多重信息加密技术的发展,而且为应对塑料污染带来的环境挑战提供了切实可行的解决方案.

    sustainable 3D printingthermosetting photo-polymerupcyclinginformation encryptionsolar thermo-electric generator

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    二维非晶碳材料的原子级加工

    郭云娜崔晗涛叶张然秦茜茜...
    4059-4064页
    查看更多>>摘要：二维非晶碳(2DAC)具有高导电性、高柔性和高化学稳定性等优异特性,在电子、传感器、催化剂、超导体、储能和能量转换等领域具有广阔的应用前景.然而,二维非晶碳很难直接制备,其形成机理和结构也存在许多争议.本文采用自上而下刻蚀的方法,在环境透射电镜中成功制备了二维非晶碳,在氧气(0.01 mbar)环境和电子束辐照下,将金刚石加热到650℃,金刚石经石墨化转变,最终转变为二维非晶碳.第一性原理计算表明,从金刚石到石墨是一个能量降低的过程,而从石墨向二维非晶碳转变是一个能量增加的过程,电子束辐照有利于克服该能垒.本研究制备了原子级精度的二维非晶碳,并利用原位表征技术揭示了其形成机理.本研究有助于从根本上理解二维非晶碳的形成过程和机理,也可为二维超薄非晶材料制备提供新的思路和见解.

    two-dimensional amorphous carbon(2DAC)top-downetchingdiamond

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    超高隔热性能的双层线性分子插层的新型层状有机-无机超晶格

    王纯刘洋朱仁龙周天培...
    4065-4073页
    查看更多>>摘要：对层间分子排列的精确控制仍然面临重大挑战,其阻碍了新的热传递机制的发展和极端热性能的改善.在这项工作中,我们通过有序分子设计(TaS2-Cn,n=3,6,8,12),在层状无机材料中实现了一系列链长增长的烷基胺分子的限域插层,并首次揭示了由S-Ta-S无机亚晶格和双层有序线性分子组成的新型层状有机-无机超晶格.该超晶格材料具有超高的隔热性能,且随着层间插入的烷基链的长度增加,层间的烷基链变得更加有序和线性且扭转构象减少.此外,更线性和有序的分子构象降低了热导率.TaS2-C12的热导率为0.426 Wm-1 K-1,仅为原始TaS2晶体的三分之一.这种超晶格结构设计为开发新的有机-无机功能材料和探索超低热导率材料提供了新的研究思路.

    layered organic-inorganic superlatticeintercalationthermal conductivitymolecular chain conformationsum fre-quency generation

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