緊密堆積的案例
中科院長春應化所李占偉副研究員和孫昭艷研究員團隊在三維膠體光子晶體的組裝和調控機制領域取得重要進展
已有光子晶體理論預測結果表明，全空間禁帶三維光子晶體通常具有低配位的非緊密堆積結構，如金剛石（diamond）和燒綠石（pyrochlore）晶格等。但是，這些三維低配位晶格在熱力學上往往是不穩定的，由各向同性球形膠體粒子直接組裝是難以實現的。通過在膠體粒子表面修飾具有選擇性結合能力的聚合物 “補丁”獲得“人工原子”，進而利用聚合物“補丁”之間的各向異性相互作用誘導膠體粒子組裝為實現三維低配位晶體結構提供了可行性。目前，基于具有特殊補丁數目、補丁排列方式和形狀的多補丁膠體粒子，理論模擬已經預測了金剛石和燒綠石等非緊密堆積晶格。但是，復雜的多補丁膠體粒子的實驗制備難度和成本同樣是非常大的。如何利用實驗上簡單易得的補丁膠體粒子自組裝構筑三維低配位晶體結構是實現三維膠體光子晶體材料需要解決的核心問題。
隨著聚合方法學的發展，基于超支化聚合物、聚合物膠束、聚合物接枝納米粒子等體系，實驗上已經能夠制備兩面神和補丁聚合物膠體粒子。由于保留了聚合物鏈的柔順性，除了具有各向異性以外，它們往往比較柔軟易于形變。軟形變和各向異性共同作用所產生的微妙熵焓效應，使其聚集態結構極其復雜而多樣，這為新材料的設計和開發提供了更多可能。
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插件簡介
CAD球體密堆積3D插件可用于生成隨機緊密堆積的球體模型。插件可指定投放區域、球體集料的粒徑范圍、球體數量等信息。
插件采用模擬重力作用下球體的碰撞堆積行為，實現球體集料的隨機緊密堆積模型。
插件通過AutoCAD軟件進行繪圖，生成的模型可導入Abaqus、ANSYS、COMSOL等有限元軟件進行球體堆積集料的仿真模擬，也可進行渲染后用作論文繪圖。
插件采用的隨機堆積算法，可實現40%以上的球體占比，彌補了隨機分布算法很難達到高體積比的不足。插件可實時輸出投放個數及當前體積比，便于控制。
說明提醒
插件需要注冊，注冊后可永久使用，版本更新不影響注冊狀態，注冊請聯系QQ：1135122921。
樣圖下載
Dwg格式樣圖，可導入Comsol、ANSYS、Abaqus、Fluent、ls-dyna等有限元軟件測試。聯系作者，提供導入技術支持。
球體密堆積樣圖CAD2022版.rar
展開 【行業說】 石墨烯的應用及前景
石墨烯就是碳原子緊密堆積單層二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，是單層石墨。我們日常生活中的石墨就是多層的，所以可通過石墨來制備石墨烯。
石墨烯有很好的應用領域它的特性如下：
極高吸附能力：
由于石墨烯具有極高的比表面積，其吸附表現的非常好，是目前已知吸附能力最高的材料。美國科學家研究出一款只有郵票大小的石墨烯傳感器，其具有對氨水和二氧化氮就有非常靈敏的吸收檢測功能，并且可以重復試用。
極強的力學強度：
其不僅力學強度高，并且密度很小，超級強韌。在航天航空，防彈衣，和太空電梯的纜線，風力，發電等需要高強度重量輕的這些領域將引起革命性的突破。與傳統材料相比，該材料重量輕，強度大，耐久性好，如果用摻雜石墨烯的話效果會更好。
透明導電：
石墨烯既透明又有導電的特點，使得它作為透明導電膜的潛力非常大，而且透明導電膜是觸摸屏和LED顯示屏的重要組成部分。
比表面積巨大：
石墨烯是單層碳原子，其比表面積巨大，有幾噸的石墨烯便可以將地球鋪滿，巨大地比表面積且導電性能，使之成為充電電池的救星。
展開 學術干貨 | 解讀電解水制氫中的非貴金屬催化劑
另一方面，氮由于原子半徑小可以嵌套在晶格的間隙中，所以金屬原子的排列總是保持緊密堆積或接近緊密堆積，賦予了TMNs較高的電子導電率。這些有前景的特性，再加上高抗腐蝕性，使這種材料相對于金屬或金屬合金更可靠。
金屬磷化物
金屬磷化物與普通金屬化合物(如碳化物、氮化物、硼化物和硅化物)具有相似的物理特性，其具有較高的機械強度、導電性和化學穩定性。不同于碳化物和氮化物相對簡單的晶體結構(如面心立方、密堆六方或簡單六方)，由于磷原子的半徑大(0.109 nm)，磷化物的晶體結構是三斜。磷化物中斜方構造子與硫化物類似，但金屬磷化物更傾向于形成各向同性晶體結構，而不是金屬硫化物中觀察到的層狀結構。這種結構性差異可能導致金屬磷化物比金屬硫化物有更多的協調不飽和表面原子。因此，金屬磷化物可能從本質上其催化活性高于金屬硫化物。
圖5 部分過渡金屬磷化物的晶體結構
過渡金屬磷化物是一種有前途的非鉑產氫催化劑。2005年Rodriguez等根據其密度泛函(DFT)計算率先提出Ni2P可能是產氫反應中最實用的催化劑，這也表明Ni2P(001)的良好的產氫催化性能。在研究中他們發現，在Ni2P中，由于P元素的引入降低了Ni元素的相對含量，使得Ni2P(001)的性能更類似于氫化酶而不是純粹的金屬表面。帶負電荷的非金屬原子和孤立金屬原子分別作為質子結合位點和氫化物結合位點。換言之，質子結合位點與氫化物結合位點共存于Ni2P(001)表面，而這種所謂的“整體效應”將有助于產氫反應。此外，他們發現在產氫反應過程中，H2強烈束縛于鎳空心位點。但在P的協助下，鍵合的H2可以很容易地從Ni2P(001)表面離去。這一重要理論預測激發了將金屬磷化物作為產氫催化劑的廣泛研究。
金屬硼化物
與金屬磷化物類似，金屬硼化物材料也具有一定的HER催化活性，已獲得研究人員的關注并進行研究。
展開 
《Nature》超顯微鏡觀察到鋰離子在雙層石墨烯中遷移！
實驗結果讓研究人員感到吃驚，傳統的石墨基電池只有少數緊密堆積的鋰在兩層碳層之間，而在石墨烯納米電池里發現非常密集的鋰層。凱瑟教授稱，超顯微鏡為理解納米電池提供了獨特的途徑，能在石墨烯夾層中觀察鋰等輕元素的擴散是一項巨大的科學挑戰，傳統的透射電子顯微鏡（TEM）做不到。
石墨烯是二維材料家族中最出名的。2004年英國科學家制備出這種由單層碳原子構成的超薄片，后來獲得2010年諾貝爾物理學獎。自那以后，二維材料迎來研發熱潮，由單層原子構成的錫烯、二硫化鉬和黑磷等不斷被開發出來。令人稱奇的是，同一種物質，從傳統的三維世界進入二維國度后，便出現許多極為獨特的物理、化學性質。期待二維材料能為新一代電子元器件和電池的開發帶來新的可能。（來源：科技日報）
展開 《Nature Reviews Materials》膠體物質的全合成：包括水凝膠/膠化/分子模擬等
d 收縮的乳液液滴促使其內部的顆粒緊密堆積。e 作為摻雜劑添加到晶體間隙中的核心粒子可以與其相鄰粒子結合。
圖
5：粒子內反應。
A 從固態到液態的轉變會驅動許多粒子內反應。B 通過溶解組分、選擇性溶脹和消溶脹組分以及將溶劑吸入顆粒或抽出散裝材料，可以在顆粒內反應中利用顆粒的溶解度。C 可以使用潤濕性、表面張力、表面活性劑相互作用和結合顆粒之間的表面電位等特性來操縱顆粒表面以驅動反應。
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6：膠體相互作用和目標。
a 物理化學吸引力。b 熵相互作用。c 環境相互作用。
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7：分子模擬結構。
a 玻璃化發生在被迫快速組裝的系統中，而結晶則發生在粒子緩慢組裝時。b 帶有排斥（灰色）和有吸引力（綠色）斑塊的 Janus 粒子形成了幾種模擬分子兩親物的結構，例如雙層和膠束。c 互補粒子的行為類似于離子，可以組裝成各種離子晶體結構，這些結構可以通過幾何特性進行調整，例如粒度比。d 膠體碳模擬物是通過顆粒間和顆粒內反應的組合合成的。
參考文獻
：
doi.org/10.1038/s41578-021-00323-x
版權聲明
：「
高分子材料科學
」旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。商業轉載，投稿，薦稿或合作請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
展開 清華大學張婷、熊卓團隊：用于3D打印的載細胞微凝膠基雙相生物墨水
研究者使用海藻酸鈉和GelMA作為墨水的前驅體發現，擠出打印所需的流變特性依賴于微凝膠的緊密堆積狀態，而與微凝膠和第二網絡的組成無關。
圖2 MB生物墨水的流變性及組成的多樣性
接下來研究者研究了MB生物墨水的可打印性，發現由于阻力較小，微凝膠被間隙水凝膠前體均勻擠出，通過405nm燈后交聯進一步穩定，相鄰層間有良好的互聯性。并且該生物墨水能夠打印出各種復雜的人體器官仿生結構。（圖3）
圖3 使用MB生物墨水的3D打印能力和保真度
然后研究者比較了不同墨水的力學性能，與GelMA本體水凝膠相比，MB生物墨水和JM生物墨水表現出更大的彈性，此外，對于MB生物墨水來說，微凝膠在壓縮條件下被進一步限制在第二個網絡內，因此與JM生物墨水相比具有相對較高的彈性模量。MB生物墨水具有非凡的結構穩健性和循環性能。（圖4）
圖4 MB生物油墨打印結構的力學表征
研究者將HepG2和HUVEC分別封裝在MB生物墨水的微凝膠和水凝膠前體中打印肝組織。發現HUVEC主要存在于MB生物墨水組的微凝膠間區域。與純水凝膠生物墨水相比，MB生物墨水組的HUVEC在第3和第7天表現出更高的增殖率，且形態延長，通過內皮細胞組裝形成隨機的管狀血管結構，覆蓋在HepG2微凝膠表面。MB生物墨水中有一個相對成熟的肝細胞基因和蛋白表達譜，能夠增強肝功能和肝臟特異性基因和蛋白的表達。
展開 中科院化學所宋延林研究員團隊《Nano Energy》：基于氣泡模板自組裝的透明電極，實現高效柔性鈣鈦礦太陽能電池的制備
研究發現, 通過氣泡自組裝方法制備銀透明電極，可以實現銀納米粒子自下而上的緊密堆積與高效利用。半突起的銀網格結構通過擴散控制生長促進鈣鈦礦的均勻成核。同時，包埋的銀網格結構作為定域化的載流子傳輸通道提升了光生載流子的分離效率。他們采用這種透明電極，成功制備了柔性鈣鈦礦太陽能電池器件。在AM 1.5光照下光電轉換效率達到18.49%。相較于使用傳統ITO/PET電極的器件PCE提升了20%。這種半包埋柔性透明電極的研發有望推動柔性光伏器件的進一步發展。
有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率已經突破了25%，引起學術界與工業界極大的關注。但是柔性器件效率始終低于剛性器件，是一個亟待解決的關鍵問題。為了提高柔性器件的效率，近年來的許多研究著重在新型透明電極的開發。與傳統ITO/PET電極光透過率差、方阻高相比，金屬納米結構作為透明電極能夠具備高導電性與光透過率，但是其較大的粗糙度影響了電荷傳輸的效率與器件的穩定性。因此，發展新的方法構筑有序可控的金屬納米結構，在提高導電性與光透過率的同時不損失電荷在界面處傳輸的效率，將是提升柔性鈣鈦礦太陽能電池效率的有效途徑。
本文要點
要點一：利用氣泡模板法組裝并轉印的透明銀網格兼具低方阻、高透光、低粗糙度等特點。
本工作通過利用氣泡模板法將銀納米顆粒組裝成均勻致密的銀網格結構，并通過犧牲層轉印的方法將銀網格包埋入PDMS基底以降低其粗糙度。
圖1：a) 柔性電極的制作過程；b-d) 柔性電極的掃描電鏡照片；e) 柔性電極的原子力顯微鏡照片。
展開 竹子啟發出一篇《AFM》！
生物仿生異質結構膜具有多層層間距分布，緊密堆積的亞納米層間距提供超快的混雜層間離子傳輸，而疏松堆積的外層通道由大到幾微米的開放通道組成，有利于液體電解質的快速潤濕和滲透。結合了大尺寸開放通道和納米配置通道的優點，提供的超快電解質潤濕、滲透和層間離子傳輸，為作為二次電池的獨立電極提供了優越的容量。相關論文發表在《Advanced Functional Materials》。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202100299
圖1|天然竹膜的形態和電池中仿生電極的設計。
圖2|生物激勵膜的合成、形態和結構表征。
圖3|仿生HP和LBL型膜的表面潤濕性。
圖4|生物激發的HP和LBL型膜中多級異質通道的離子傳輸特性。
圖5|仿生HP和LBL型膜電極的電化學離子存儲性能評估。
圖6.石墨烯/Co3O4異質結在2D-2D夾層和跨層上離子輸運行為的理論解釋。
通過借鑒具有超高速水和電解質傳輸特性以支持其超高速生長速度的多層天然竹膜，本文推出了基于獨立生物靈感的2D-2D多層異質結構石墨烯/Co3O4薄膜，其具有可剪裁的結構、表面粗糙度和潤濕性，以及多層層間通道，其通過混合溶液過濾(HP)方法或逐層組裝(LBL)方法構建而成。本文制備的仿生膜具有明顯的層間間距分布，緊密堆積的膜層間距小于5 nm，孔道較大的外層膜層間距最大可達2200 nm。由于生物激勵膜的多級通道有助于液體電解質通過較大通道的快速潤濕和滲透，以及通過納米通道的快速混合層間離子傳輸，因此生物激勵膜（特別是高度調控的LBL型膜）實現了超濕行為和超快離子傳輸。
展開 顆粒的最大堆積密度是多少？離散元軟件如何模擬最密堆積問題？
首頁 > 新聞媒體
一、最密堆積問題的起源和發展
堆積問題在生活中隨處可見，人們試圖尋找可以在最小空間內堆放更多物品的方式，因而最密堆積問題在很早之前就引起了數學家和物理學家的思考。
早在1611年，著名的天體物理學家開普勒關于球體最密堆積方式的猜想就已被提出。按照開普勒猜想，對于大小相等球體，在所有堆積方式中“面心立方最密堆積”和“六方最密堆積”是最密集的堆積方式，二維空間堆積密度為
但這樣的結果在當時并沒有詳細的證明以說明其正確性。
直到1998年，匹茲堡大學數學系教授托馬斯·黑爾斯利用計算機輔助方法來排除不同的可能配置，給出了針對開普勒猜想的為裁判小組所接受的證明。這樣的證明成為了數學史上的一個里程碑，也標志著計算機在驗證復雜數學問題上的一個重大進步。
隨著堆積問題研究的不斷深入，相關問題的研究引發了越來越多的國內外課題組的廣泛關注。2012年第一屆“堆積問題國際會議”在愛爾蘭都柏林圣三一大學成功舉行，吸引了國際上幾十個國家的學者前來參加。之后2014年第二屆會議在德國埃朗根、2016年第三屆會議在中國上海、2019年第四屆會議在美國耶魯大學相繼舉辦，極大促進了堆積問題的研究和發展。
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。例如：
在混凝土砂石骨料中，通過優化粗細砂和碎石的級配，可以提高砂漿的密實度和混凝土性能。
在金屬粉末冶金和3D打印領域，金屬顆粒的級配對材料致密度和力學性能有重要影響。
展開 《Science》子刊：耦合形態和磁性各向異性組裝四方膠體晶體
納米棒的耦合形狀和磁各向異性，決定了非常規的組裝方式，并導致非緊密堆積和硬接觸相。獨特的三維四邊形結構和可調諧的互連孔隙度提供了一個獨特的平臺，可以調節能量轉換和光學器件中的許多化學轉換和物理過程。這項工作表明，操縱各種各向異性形狀的納米結構的磁相互作用，可以打破傳統的熵主導的膠體組裝系統中致密堆積相的限制，從而為創造許多復雜的膠體晶體打開了大門。（文：水生）
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《PNAS》：蒸發誘導的膠體晶體中晶體擇優生長的微觀起源
這種行為特別有趣，因為膠體粒子預計會平行于半月板緊密堆積，這將導致沿著<112>方向和垂直于<110>方向的生長。
在合成系統、生物礦物和地質晶體的晶體原子固體中，通常可以觀察到沿著特定晶體方向的優先生長，也稱為織構發育。雖然目前的知識意識到諸如定向成核的機制，這些機制定義了未來生長晶體的晶體取向和原子晶體的競爭性生長，但膠態晶體結構發展的基本原理仍然難以捉摸。以往基于方向依賴的生長速度和溶劑流動阻力的假設不足，以對不同的蒸發誘導膠體自組裝過程提供統一的解釋。為了更好地理解膠體自組裝過程中的晶體擇優生長，可以為原子、離子和分子系統中的晶體生長提供新的思路。此外，對自組裝過程的機械理解將允許更精確地控制晶格類型、晶體學和缺陷，以改善膠體組裝結構的性能和功能。
圖1 膠體晶體的蒸發誘導共組裝。
在這里，為了研究與組裝過程相關的晶體學特征，研究者首先利用蒸發誘導的膠體共組裝路線作為模型系統。在這種廣泛使用的獲取大面積膠體晶體的方法中，膠體粒子通過溶劑或基質前驅溶液的蒸發被驅動到半月板上，在那里它們緊密堆積形成面心立方膠體組合。通過二維大面積晶體映射，表明初始晶體取向是由粒子與半月板的相互作用決定的，從而導致了與局部半月板幾何形狀緊密排列的預期方向。通過結合單粒子水平的晶體結構分析，研究者進一步揭示，在自組裝的后期階段，膠體晶體在幾何必要位錯(GNDs)的作用下逐漸旋轉，形成了垂直于半月板、平行于生長方向的密集排列方向的大面積均勻晶體取向。經典滑移分析、基于有限元的力學模擬、計算膠體組裝模型和連續介質理論明確地表明，這些滑移是由于膠體晶體在干燥過程中受到約束收縮而產生的沿半月板方向的拉應力場。在單個晶粒內產生具有特定滑移系統的GNDS，導致晶體旋轉以適應機械應力。
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因此，包含升力不適用于緊密堆積的顆粒或非常小的顆粒。
升力系數模型Fluent在公式17–254中提供了多種升力系數模型。以下各節將介紹這些模型。
①Moraga升力模型
②Saffman-Mei升力模型
③Legendre-Magnaudet升力模型
④Tomiyama升力模型
⑤或者，您可以為升力系數（DEFINE_EXCHANGE_PROPERTY）指定常數或用戶定義的函數。有關如何在模擬中包括升力的詳細信息，請參考《 Fluent用戶指南》中的“包括升力”。
本文沸騰用的是Tomiyama升力模型
Tomiyama適用于橢圓形和球形帽形結構中較大規模的可變形氣泡的升力。與Tomiyama和wall lubrication模型一樣，該模型取決于E?tv?s數。它的主要特征是預測氣泡大小的交點，在該交點處，顆粒變形會引起升力符號的反轉。在Fluent中實現的模型是Frank等人在原始Tomiyama lift model（1998）[460]的基礎上進行的輕微修改。（2004）[132]：
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展開 Natural Hazards：用離散元法對近期發生的甘肅某滑坡進行數值研究
在本研究中，DEM 由一系列具有相同半徑的六邊形且緊密堆積的離散單元組成。這些元件通過排斥-吸引力彈簧力相互作用，其中兩個元件之間的法向彈簧力 (Fn) 是法向剛度 (Kn) 和法向相對位移 (Xn) 的乘積。元素與其相鄰元素結合在一起，直到 Xn 超過斷裂圖3鉆孔的巖性地層測井（B01 和 B05）位移（Xb）；因此，鍵斷裂，兩個元素之間的張力變為 0。然而，當它們從壓縮接觸中恢復時，排斥力仍然存在于它們之間。
在 DEM 系統中，為數值建模分析設置適當的材料參數非常重要。在 MatDEM 中，輸入的微觀參數為法向剛度 (Kn)、剪切剛度 (Ks)、剪切阻力 (FSo)、斷裂位移 (Xb) 和摩擦系數 (μp)，而宏觀參數包括楊氏模量 ( E)、泊松比(v)、密度(D)、抗壓強度(Cu)、抗拉強度(Tu)和內摩擦系數(μi)。
在 DEM 中，能量有四種形式：（1）彈性勢能（Ee）；(2)重力勢能(Eg)；(3)動能(Ek)；(4)熱量(Q)。DEM 的總能量 (Etotal) 是所有機械能（即 Ee、Eg 和 Ek和Q ）的總和。
圖3 鉆孔巖性地層測井（B01 和 B05）
【研究結果】
1、滑坡破壞過程
圖4為陳河村滑坡不同時刻的變形破壞狀態。初始階段變形僅發生在邊坡中上部（圖 4a~c）。隨后，滑動體向下移動，邊坡發生失穩，陡疤內出現輕微沉降（見圖 4d）。此后，滑動體表面變形繼續增加，導致下部滑動質量滑動（圖4e-g）。與此同時，后部的造型也發生了很大的變化。在最后階段，整個滑動體減速并靜態沉積在坡腳處（圖4h，i）。
展開 難得一見！化學結構之美超乎你的想象
B56, 766 (2000)
8
納米粒子晶體
正八面體納米粒子最緊密堆積
Nature Mater. 11, 131 (2012)
八腳納米粒子自組裝結構
兩種顏色用來區分相同納米粒子的兩種取向
Nature Mater. 10, 872 (2011)
9
液晶
向列相液晶
10
液體
液態水
白-氫，灰-氧，藍-氫鍵
