凝聚態
關注創建者：智盛稅務 創建時間：2021-03-21
凝聚態的實例教程
高聚物的每個分子就好像是一根長長的線，通常情況下它們可互相雜亂無章地繞在起，被稱為“無規線團”，這樣形成的高聚物內部不存在規整的結構，是類非晶態的高聚物。許多高聚物都有這樣的結構，如聚氯乙烯、聚苯乙烯和有機玻璃等，以及幾乎所有的橡膠。
但是也有少數聚合物，當它們在塑料加工機器中被加熱熔解，然后從熔體中冷卻成型時，支鏈的分子會按照一定順序規整的排列起來，形成有序的結晶結構。
由于高分子的相對分子量很大，分子運動受到牽制，因此在通常情況下，它們不能像小分子化合物那樣形成完美的單晶結構，也不能形成100% 的結晶；所謂的結晶聚合物實際上只是一部分結晶的高分子，在這類聚合物中包含許多非晶區，我們常用結晶部分的質量分數或體積分數來表示高分子的結晶度。
還有與小分子不同的是，高聚物結晶的熔融通常發生在幾度甚至十幾度的寬范圍內，這個溫度范圍稱為“熔限”。這是因為高聚物結晶的形態和完善程度很不相同，升溫時尺寸較小、不太完善的晶體首先熔融，尺寸較大、比較完善的晶體則在較高的溫度下才能熔融。
結晶影響了聚合物的性能，主要是力學性能和光學性能。結晶度越大，塑料越脆。結晶度越大，高聚物越不透明，因為光線在晶區和非晶區界面發生光散射。
線形高分子長鏈具有顯著的幾何不對稱性，其長度一般為其寬度的幾百倍至幾萬倍。在外場作用下分子鏈將沿著外場方向排列，這過程稱為取向。高聚物的取向現象，包括分子鏈、鏈段、晶片和微纖等沿外場方向的擇優排列。
取向結構與結晶結構不同，它是一維或二維有序結構。因而能夠很好取向的聚合物不一定能結晶。很多聚合物產品如合成纖維、薄膜等都是在一定條件下經過不同形式的拉伸工藝制成的。研究取向有著重要的實際應用意義。
總的來說，取向的結果使沿取向方向的力學強度增加，
展開 ▲ 劉傳軍博士，中國商飛，熱塑機身壁板原型原位成型技術研究
報告總共31篇，涉及PEEK聚醚酮類報告有20余篇，內容涉及纖維上漿劑改性、樹脂與纖維結合界面控制、凝聚態結構調控、焊接和粘接、復合材料制作、復合材料應用發展、復合材料裝備、無損檢測、損傷機理研究等。PEEK材料作為特種工程塑料的典型代表，與纖維復合，性能更加優異。對比傳統的鈦合金材料，密度低，可以實現明顯減重；對比傳統熱固性復合材料，韌性好，耐疲勞、耐濕熱穩定性好、可回收，迎合了航空航天、軍工、醫療、以及特殊行業的需求。
▲朱姝博士，東華大學，航空熱塑性復合材料基體凝聚態結構調控及其工程應用
研討會中匯報了不少針對熱塑性研究的典型案例。其中合作單位東華大學朱姝博士匯報的題目為“航空熱塑性復合材料基體凝聚態結構調控及其工程應用”，從構筑PEEK樹脂基體狀態的變化理論分析研究，提高復合材料的性能。通過PIF方法，實現PPS、PEEK基體強韌化，強度提高1.5-2倍，韌性提高2-4倍。后續若該方法用于生產之中，相信未來復材性能將進一步提高。
連續CF/PEEK復合材料作為業界研究的熱點，各項性能數據正在完善，相關機理的研究也在逐步深入，行業對連續CF/PEEK復合材料的認知也在逐漸加深。
▲ 安學峰高工，航空工業，熱塑性復合材料民機結構件的高效率、高質量、低成本制造
▲ 丁浩亮高工，航天材料及工藝研究所，高性能熱塑性復合材料在航天器結構件中的應用需求和實踐
▲ 鄭潔高工，航空工業，熱塑性復合材料層板失效預測研究
03、江蘇君華特塑
▲ 江蘇君華特塑展位
江蘇君華特種工程塑料制品有限公司一直參加由SAMPE組織承辦的熱塑性復材展會和復材國際研討會。今年既作為參展單位，又作為匯報單位。本次展示的產品是江蘇君華復材系列的商標產品（PEEKFRTP?和JHFRTP?）。
展開 因此，為了解釋目前很多觀測的宇宙現象，特別是早期宇宙起源，理論物理學家采用量子場論模型描述宇宙時空的性質，認為宇宙時空像是一種“凝聚態量子物質”，宇宙從大爆炸誕生、演化到現在，隨著溫度的降低，宇宙時空會經過一系列量子相變過程，這種相變會導致時空真空場的對稱性破缺，而在宇宙中留下各種拓撲缺陷，例如磁單極子和宇宙弦等。通過探測這些時空的拓撲缺陷，人們不但可以追溯早期宇宙的誕生過程，而且觀測量子引力效應和研究時空的本質。雖然人們已經開始嘗試尋找時空拓撲缺陷，但由于人類太空量子探測技術的局限，目前尚未成功。另外，基于宇宙時空與凝聚態物質的類比關系，理論物理學家提出了變換光學的方法，主要是在凝聚態介質中通過連續改變物質的屬性，模擬引力場彎曲時空，從而在實驗上檢驗和演示各種彎曲時空中光子態的演化特性和量子效應，例如：光子黑洞、霍金輻射效應、宇宙膨脹紅移等。
近些年，南京大學物理學院介電體超晶格實驗室的祝世寧、劉輝研究組利用變換光學芯片，開展了彎曲時空中光子態演化特性的實驗研究,取得系列成果。最近研究組的盛沖博士制備了一種二維彎曲超材料，實現一種新型的具有軸向旋轉對稱的各項異性變換光學介質，旋轉對稱中心可以模擬一維時空拓撲缺陷: 宇宙弦(圖一(a))。
圖一 (a)宇宙弦拓撲時空的嵌入圖; (b) 宇宙弦拓撲時空的角度缺損; (c)負質量宇宙弦對光線的排斥；(d)正質量宇宙弦對光線的吸引。
雖然宇宙弦不會像其他質量的天體在周圍時空中直接產生引力場，但是會造成周圍時空拓撲結構的改變，導致時空角度的缺損或盈余(圖一(b))，光在這種拓撲時空中傳播的時候，無論光子的入射位置、傳播方向、波長、偏振方向如何，都會產生一個確定的偏轉角Δ=8πGμ，偏轉的角度數值只決定于宇宙弦的質量密度μ，這是宇宙弦拓撲時空魯棒性的體現。
展開 他們將銣原子溫度降到接近絕對零度，形成玻色—愛因斯坦凝聚態，它就像光波一樣遵循量子力學原理緩慢移動，凝聚態粒子最后變成步調一致的超流體。
科學家使用激光讓銣原子蒸發逃逸，它們運動越來越慢，就像被放入冰箱。銣原子慢慢局限在一個直徑不到100微米的碗狀區域。另一組激光抽打它們，使其改變自旋方向。再撤掉束縛，沖出小碗的銣原子就表現出負質量。負質量的模擬研究早就有了，但新技術首次實現精確調控負質量物質。這一成果為探秘中子星、黑洞與暗物質等宇宙現象，或可提供全新實驗工具。
同樣聞所未聞的發明是時間晶體。它打破了時間對稱性。2012年提出的這個概念，不違背物理學理論，但卻引起了巨大爭論。現在居然制造出來了。
一般來說，處于勢能最低狀態，意味著一件東西是靜止的，然而新制造出的時間晶體處于勢能最低狀態，卻仍然是“運動”的，類似于一個不用上發條的永遠旋轉的鐘表（是不是想起了永動機？）。這種運動不意味著它能做功，而是你在不同時間觀測它，它呈現出不同的樣子。
今年，兩支美國團隊分頭模擬出了時間晶體，一條路徑是使用激光干涉金屬鐿離子鏈，另一條是用摻雜的鉆石。我們熟悉的世界，是平衡態物質的，而時間晶體是一種非平衡態的物質。超導體永恒導電，時間晶體永恒運動，物理世界比我們想的更奇怪。
展開 就是在這樣的考慮之下，筆者和朋友們決定在凝聚態物理學量子多體計算的領地中，在這個春天里培育一株幼苗，小心地澆灌它，期望它成長為凝聚態物理學量子多體計算領地中的大樹。這株幼苗，就是量子多體系統的動力學性質計算。
量子多體系統的動力學性質計算，筆者在之前的文字中有過介紹【1】，涵蓋量子多體系統的譜學和輸運行為計算，比如關聯電子材料中的準粒子譜，量子磁學和高溫超導系統中的自旋激發譜，還有關聯電子材料中最基本的電阻、熱輸運測量等等。這些能量、動量、溫度依賴的響應函數中蘊含著量子多體系統的本質信息，而且它們就是凝聚態物理實驗直接測量的物理量，比如角分辨光電子譜測量的就是關聯電子材料的電子結構（即準粒子能譜），而中子散射、核磁共振測量的就是量子磁學材料中的自旋激發譜。電阻和輸運測量的重要性更是自不待言，遠有近藤、量子霍爾效應，近有銅基、鐵基高溫超導體中的非費米液體行為，都是由電阻和輸運測量所揭示的現象。然而，如筆者在之前的文字【1】中所寫，動力學性質計算，從理論上來講是十分困難的問題，這關乎準確計算指數多的、強烈相互作用的自由度的時間演化，是幾近不可能完成之任務。動力學性質計算是量子多體系統理論發展中的核心問題，它的解決可以讓凝聚態物理學中許多難題，比如高溫超導機理和量子相變臨界行為的完整描述，得到徹底地解釋。
完整地解決量子多體系統動力學性質計算的問題，茲事體大，目前并沒有統一的方案。我們所進行的研究，是發展和應用以量子蒙特卡洛（quantum Monte Carlo, QMC）和隨機解析延拓（stochastic analytic continuation, SAC）為代表的大規模數值計算方法，通過合理地設計量子多體系統理論模型，定量地計算其動力學性質，然后把結果與以場論、重整化群為代表解析方法得到的定性預期進行比較，得到統一的認識之后，再用來解釋和指導實驗觀測。
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二、最密堆積問題的應用場景
堆積問題是研究晶體結構、液體結構、非均勻材料結構等凝聚態物質系統的重要模型。除了單分散顆粒外，多分散顆粒的密堆積在實際應用中更加廣泛。顆粒體系在不同顆粒直徑分散性下會表現出不同的密堆積填料分數，這就帶來了顆粒級配問題。
在各類工業領域，顆粒材料的級配對于產品的性能有著至關重要的影響。優化顆粒級配以達到緊密堆積，不僅可以提高產品的強度和耐久性，還能顯著降低成本。
計算方法：本文所有模擬工作均由 Accelrys 公司開發的Materials Studio 軟件包完成，力場為 COMPASS力場，它能夠準確給出孤立體系和凝聚態的結構與性質。
例如，寧德時代發布凝聚態電池，單體能量密度最高500Wh/kg，公司表示正在進行民用電動載人飛機項目合作開發；億航智能宣布完成對鋰金屬固態電池公司欣視界的戰略投資，二者將合作開展適用于億航智能自動駕駛飛行器產品的固態鋰電池研發與生產；國軒高科也已表明與億航智能簽訂戰略合作協議，致力于共同開發eVTOL的動力電芯、電池包、儲能系統和充電基礎設施。
在當代凝聚態物理與光學交叉的前沿研究領域中，連續譜中的束縛態（BIC）作為一種反直覺的物理現象，正逐漸成為科學研究的焦點。從量子力學和經典電動力學的基礎理論出發，BIC 違背了傳統意義上對束縛態和連續態的認知。
依據麥克斯韋方程組所描述的電磁輻射原理，處于連續譜中的態通常會因與輻射場的耦合而發生能量耗散，進而導致態的衰減。然而，BIC 卻能在連續譜中穩定存在，形成一種獨特的局域化能量狀態。
COMPASS：支持對凝聚態材料進行原子水平模擬的強大力場，能夠在廣泛的溫度、壓力范圍內預測孤立體系或凝聚態體系中各種分子的結構、構象、振動及熱物理性質。
Amorphous Cell：允許建立無定型系統的代表性模型，并對主要性質進行預測，研究內聚能密度、狀態方程行為等。
Reflex：模擬晶體材料的X光、中子以及電子粉末衍射圖譜，幫助確定晶體結構并解析衍射數據。
系統總結了團隊關于氧化石墨烯 2D大分子的單分子構象行為、液晶凝聚態以及宏觀材料的工作進展。以單層GO為實驗模型，總結了構象以及構象轉變的基本原理與規律，展望了構象精確設計與控制的發展方向；提出了一種新的構象工程方法學，為典型二維石墨烯的宏觀材料的“加工—結構—性能”提供了系統的思路，用以指導2D聚合物宏觀材料的結構精確設計與控制。
熱塑性樹脂由于本身的凝聚態結構賦予其高韌性，使其復合材料相對傳統的熱固性復合材料具有更為優異的性能，以及廣闊的應用前景。除性能要求外，國內外對于航空業的環保性提出了更高的要求，歐盟據此提出了針對性的大型科研計劃——“清潔天空（Clean Sky）”計劃，目的在于通過降低能耗和噪聲污染，減小航空運輸對環境的影響。
近年來，通過考慮模態相干作用和非諧性對熱導率的貢獻，非晶材料的導熱理論取得了一定進展，然而，由于非晶材料原子尺度結構的復雜性及當前實驗和計算手段的局限性，全面理解非晶材料的結構對熱輸運特性的影響機理并建立二者之間的定量關系仍是凝聚態材料物理中待解決的挑戰性難題。
目前，盡管在理論研究方面取得了重大進展，但由于無序系統的精確建模仍然存在顯著的挑戰。
三、培訓大綱：
“COMSOL 多場耦合仿真技術與應用”光電專題培訓大綱（三十三期）
(1) 案列應用實操教學：
案例一
光子晶體能帶分析、能譜計算、光纖模態計算、微腔腔膜求解
案例二
類比凝聚態領域魔角石墨烯的moiré
同時，研究脈沖激光在凝聚態物質中激發超聲波及其與物質結構和參量之間的關系，解決了某些機理和測試研究中尚未解決的問題。
數十年來，張淑儀院士小組研制成10余種儀器設備，發表學術論文300余篇，參加撰寫專著3本（在美國出版），獲國家、省部級科技進步獎12項。主辦國際會議三屆，并主編國際會議論文集3冊 。
文章來源：聲學樓論壇
