Nanomaterials 期刊2024年院士文章合集

  罗先刚老师的最近研究成果。内容涵盖机器学习与纳米发电机协同应用；冲击载荷对纳米晶体bcc铁原子尺度断裂行为的影响；工程纳米材料的纳米毒理学计算模型；宇称-时间对称的半导体激光器最新研究进展；低偏振、宽光谱半导体光放大器；矢量迭代傅立叶变换算法的结构光三维成像等热门话题，希望能为相关研究领域的学者提供新的思路和参考，欢迎阅读。

  基于物联网大数据的机器学习算法增加了规模化智能感知系统的需求。当前，传感系统要周期性更换电源，这不但会导致非常严重的资源浪费还会带来环境污染。同时，与更换相关的人力配置成本也加重了经济负担。未解决这样一些问题，摩擦纳米发电机 (TENG) 通过丰富的材料选择既提供了高效的分布式低熵能量收集方案，也成为收集复杂多样数据的自供能传感绝佳方式。随着TENG收集的数据慢慢的变多且复杂，研究者们提出了不同的机器学习 (ML) 和深度学习 (DL) 算法来高效地处理输出信号。该文章以样本规模和数据复杂性为主要线索，综述了ML算法辅助固体固体TENG (S-S TENG) 和固体液体TENG (L-S TENG) 传感器的最新进展。通过比较各种算法的优势与局限，总结了更适宜与其协同的TENG传感系统的多种应用场景。最后，文章还针对在复杂环境下协同硬件 (TENG传感器) 和软件 (ML算法) 的前景及其未来发展面临的主要挑战做出了讨论。

  纳米晶金属在纳米设备中具有广泛应用，尤其是在航空航天领域的纳米电子器件中。它们在环境应力下抵抗冲击断裂的能力是纳米设备设计的主要关注点。本文通过在不同的快速加载速率下进行分子动力学模拟，考察了在原子尺度上冲击载荷对纳米晶bcc铁断裂行为的影响。根据结果得出，在纳米晶铁中，裂纹以晶间解理的方式扩展。随着冲击载荷的增加，晶界解理作用减弱，晶界活动产生的塑性行为增加。此外，主导塑性变形的机制从裂纹尖端的原子滑移转变为明显的晶界活动。冲击载荷增加所产生的晶界活性导致裂纹开裂的阈值能量增加，并提高了纳米晶bcc铁抵抗断裂的抗力。纳米晶bcc铁在大的冲击载荷下能保持较高的断裂韧性。

  尽管人工纳米材料 (ENMs) 在许多领域具有巨大潜力，但其对人类健康和环境风险的不确定性可能会阻碍这种新型材料的发展。传统上，ENMs的风险能够最终靠环境现场监测和基于动物的毒性测试等实验方法来做评估。然而，使用实验方法评估数量基数大，日益增多的ENMs风险是耗时、昂贵且不切实际的。相反，随着AI和机器学习的发展，计算方式最近在ENMs的风险评估中受到了更多关注。本综述讨论了计算纳米毒理学模型在评估ENMs风险方面的关键进展，包括物质流分析模型、多介质环境模型、基于生理的毒代动力学模型、定量纳米结构-活性关系和元分析。文章还指出了一些挑战，并就怎么样应对这些挑战提供了展望。

  半导体激光器具有效率高、体积小、重量轻、波长丰富、直接电驱动等优点，是国民经济与国防建设的核心光源，所涉及的人机一体化智能系统、信息网络、医疗健康等基础性、战略性产业对国民经济与国防建设贡献重大。激光器的模式特性直接影响输出性能，如输出功率、光束质量、光谱线宽等，因此高功率、高光束质量的半导体激光器一直是国际半导体激光科学的研究前沿。宇称时间 (PT) 对称作为一种新型的模式调控方法，在纵向调制上能够对纵模做出合理的选择，改善激光器光谱特性，在横向调制上能轻松实现基横模输出，改善激光器的光束质量，故成为近年来的研究热点。本文从PT对称的基础原理出发，详细的介绍了基于PT对称的单模半导体激光器的技术方案和发展现状，按照不同的调制办法来进行分类，分析其结构及性能特点，最后对PT对称激光器的研究进展进行了总结并对未来发展的新趋势进行了展望。

  在全光网络中，偏振不敏感半导体光放大器 (SOAs) 能大大的提升信号光质量和传输速率。本文设计、仿线 nm波段的多量子阱SOA，以减小增益对偏振的敏感度。有源区由四元化合物InGaAlAs组成，由于势垒和势阱的组分差异导致晶格失配，因此，产生了应变量子阱，为SOA提供了对光偏振态不敏感的增益。本文研制了脊宽分别为4 m、5 m和6 m的SOA。4 m脊宽的SOA可实现140 nm的3 dB增益带宽，而6 m脊宽可提供更高的输出功率和增益。在输入功率为0 dBm时，饱和输出功率为150毫瓦 (增益21.76 dB)，输入功率为10 dBm时输出功率增加到233毫瓦 (增益13.67 dB)。在-20 dBm时，偏振敏感度＜3 dB。该设计实现了低偏振灵敏度、宽增益带宽和高增益的SOA，将在逐步优化后适用于广泛领域。

  结构光三维 (3D) 成像以其计算成本低、成像精度高、成像速度快、性价比高等优点，成为三维成像领域的研究热点。结构光3D成像需要均匀的衍射光学元件 (DOE)，可以通过准连续的相位超表面来实现。准连续相位超表面可以在亚波长尺度上高效地实现振幅、相位、偏振和频率等光学参数调控，克服了高阶衍射对成像的副作用。本文通过矢量迭代傅立叶变换算法设计了一种准连续相位超表面分束器，并利用该设备实现了目标物体的结构光3D成像和目标重建。通过将垂直腔表面发射激光器、准连续相超表面和双目识别系统相结合，实现了结构光3D成像系统，最终为3D成像领域提供了一条新的技术途径。

  Nanomaterials(ISSN 2079-4991) 是一个国际开放获取期刊。创建于2010年，目前已被Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed、PMC、CAPlus/SciFinder、Inspec等数据库收录。期刊主题涵盖纳米生物学与医学、纳米光子学材料与器件、纳米能源、纳米催化、纳米电子学、纳米传感器、纳米结构的理论与计算模拟、环境纳米科学、二维和碳纳米材料、无机纳米材料、金属有机框架、太阳能与太阳能电池、纳米级物理化学应用及纳米制造等。范围包含但不限于：纳米材料、纳米技术、纳米材料在所有的领域的应用。

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