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关于材料基因组的基本观点及展望

科学通报 2013年第35期58卷 3618-3622页

作者：刘梓葵 Department of Materials Science and Engineering The Pennsylvania State UniversityUniversity Park

通过几个相关的研究项目,展示了作者关于材料基因组(Materials Genome)的基本观点.目前多组元材料的热力学和动力学数据库包含有单个相的吉布斯自由能函数和原子迁移率,它们是温度、成分以及压力(某些情况下)的函数.这种数据库的构建... 详细信息

通过几个相关的研究项目,展示了作者关于材料基因组(Materials Genome)的基本观点.目前多组元材料的热力学和动力学数据库包含有单个相的吉布斯自由能函数和原子迁移率,它们是温度、成分以及压力(某些情况下)的函数.这种数据库的构建方式是把基于不同晶体结构的单个相作为材料的基因组(组成模块).作者认为,如果单个相其内在的特定构型,比如磁自旋构型和铁电极化,随着温度、应力和磁场、电场而显著改变,那么这些具体的构型反而应该被看做是单个相的基因组.一个特定相的"变异"是受这个相稳定和亚稳组态之间的混合熵,即"结构组态熵"(structural configurational entropy,SCE)所控制的.这种不同组态之间的混合也是导致单个相异常行为的内在原因.通过改变材料成分来控制不同单个组态的性质的能力是实现材料设计的关键所在.

关键词：材料基因相图计算方法结构组态熵第一性原理计算负热膨胀 ESPEI

基于类骨磷灰石形成的骨诱导生物材料基因研究

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基于类骨磷灰石形成的骨诱导生物材料基因研究

作者：罗冯雄四川大学

学位级别：硕士

近几十年来,骨修复生物材料的研究和应用取得了很大进展。尤其是生物材料骨诱导性的发现和证实,为骨修复材料的发展提供了新的方向。表面类骨磷灰石的形成是生物材料具有生物活性的标志和具有骨诱导性的必要条件。然而类骨磷灰石形成的... 详细信息

近几十年来,骨修复生物材料的研究和应用取得了很大进展。尤其是生物材料骨诱导性的发现和证实,为骨修复材料的发展提供了新的方向。表面类骨磷灰石的形成是生物材料具有生物活性的标志和具有骨诱导性的必要条件。然而类骨磷灰石形成的机制尚不明确,影响因素、结构性质特点缺乏系统性研究,特别是生物材料结构性质---类骨磷灰石---生物学性能间的关联关系探索十分缺乏。钛及其合金是骨科、牙科和颌面外科手术中最常用的材料,由于其良好的机械强度,在临床上应用十分广泛。同时作为生物惰性材料,钛及其合金与骨组织结合缺乏活性,时常导致骨结合失败。钛通常通过表面改性或涂覆钙磷层进行生物活化,引导钛和骨组织之间形成良好的骨结合。如果赋予一定的结构和表面化学性质,在体内时也可诱导骨生成。但是具有什么性质的钛金属表面能有效沉积类骨磷灰石并带来生物活性或骨诱导性一直未能得到很好的回答。本论文以钛金属为目标材料,以材料基因组方法为基础,采用飞秒激光刻蚀高通量制备具有不同材料学因素的表面,采用三电极方式梯度调节表面电荷,筛选影响类骨磷灰石沉积的因素。揭示钛表面亲水性、成核位点密度以及表面电荷基因对类骨磷灰石沉积和生物活性的影响,统计分析形成材料表面亲水性、成核位点密度和表面电荷基因数据,从而为组织诱导性生物材料的设计和开发提供有效的数据基础和理论指导,加速新一代生物材料的产业转化,同时完善骨诱导机理解释。钛的表面活化在钛种植体作为骨修复材料的生物学特性中起着关键作用。提高磷灰石在表面的沉积能力是公认的钛生物活化途径。本研究采用先进的飞秒激光微加工技术对钛表面进行改性,研究了飞秒激光刻蚀钛表面对磷灰石沉积的影响,并与常用的钛改性方法进行了比较。同时,从材料学角度解释了飞秒激光改性后磷灰石的形成机理。表面理化表征结果表明,飞秒激光刻蚀可以提高表面亲水性和表面能;与传统砂纸和酸碱热处理相比,它增加了钛表面的活性位点,包括氧化钛和钛羟基。这使得用0.3W和0.5W飞秒激光刻蚀的钛表面比传统的机械处理和普通的酸碱改性处理具有更好的诱导磷灰石沉积的能力,从而导致更好的生物活性和骨整合。考虑到飞秒激光在微细加工中的技术优势,它为钛的生物活化提供了一种更加高效和可控的方案。类骨磷灰石的形成是生物材料具有骨诱导性的必要条件,但是对影响磷灰石沉积的材料学因素研究目前还十分溃泛。在本研究中,利用材料基因组方法中的材料高通量制备的思想,通过飞秒激光刻蚀技术制备了一系列具有不同亲水性和表面积的钛表面,考察不同材料学因素对类骨磷灰石沉积效率的影响,结果表明:(1)亲水性表面其磷灰石的沉积速度和沉积量都远远高于疏水性表面;(2)表面粗糙度的增加会增大材料表面的表面积,使表面暴露出更多的成核位点,加速磷灰石的成核。大量研究表明,材料表面带不同种类和数量的电荷对磷灰石的形成有显著的影响。本研究采用三电极电沉积方式梯度调控表面电荷,探索钛金属表面电荷基因与其表面类骨磷灰石形成效率之间的关系,描述正负电荷以及含有不同数量电荷表面对磷灰石沉积过程的影响,包括沉积的磷酸钙的量和沉积效率。结果表明,表面负电荷相较于正电荷而言更有利于磷酸钙的沉积。本研究采用材料基因组方法来系统探索钛金属表面材料学因素与类骨磷灰石形成所带来的骨诱导性和生物活性之间的相互关系并形成基因数据,分别研究了表面粗糙度、亲疏水性、成核位点密度以及表面电荷基因对磷灰石沉积的影响,并以酸碱热处理样品(E-AH-Ti)为参照,通过对这些因素的归纳总结我们可以得出钛金属表面能有效沉积类骨磷灰石的材料学因素:(1)通过分析飞秒激光刻蚀钛金属表面亲疏水性与形成磷灰石的研究发现,钛金属表面磷灰石覆盖量要达到甚至优于酸碱热处理样品,表面接触角要小于50°;(2)在表面具有有效沉积磷灰石的成核位点的基础上,当总表面能γ大于67.995m J/m且极性成分γ大于15.464m J/m,可认为能有效沉积磷灰石,沉积速率优于酸碱热处理;(3)通过分析成核位点密度基因与形成磷灰石之间的关系发现,对于图案化处理钛金属表面成核位点密度至少要大于:Ti O2:4.48/nm;-OH:3.95/nm,且叠加距离(刻蚀距离)小于0.065mm,表面才能达到甚至优于酸碱热处理后表面磷灰石沉积的量;(4)表面负电荷相较于正电荷而言更有利于磷酸钙的沉积。本文解释了什么样的钛金属表面能有效沉积类骨磷灰石,并形成钛金属表面能有效沉积类骨磷灰石数据表。这对进一步理解钛基生物材料的生物活性和骨诱导性的诱发机理及本质有很大帮助,并为指导新一代骨组织诱导性生物材料的设计和开发提供有效的数据和理论基础。

关键词：材料基因材料高通量制备骨诱导磷灰石成核位点

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材料基因在锂电研发中的应用

上海电气技术 2015年第3期8卷 37-41,51页

作者：曾乐才上海电气集团股份有限公司中央研究院上海200070

材料基因研究将根本改变材料研发方式,大幅度加快研发应用进程。应用第一性原理及相场方法可以对材料的微观结构与材料的宏观性能进行计算仿真,材料基因方法已广泛应用于锂离子电池关键材料的分析研究。

关键词：材料基因第一性原理相场方法锂离子电池

高性能海洋用钢智慧研发之二——钢铁材料基因与显微组织数字化表征

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鞍钢技术 2018年第2期 1-9页

作者：尚成嘉李秀程王学林北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心北京100083 鞍钢集团钢铁研究院海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室辽宁鞍山114009

材料基因的识别及显微结构的数字化表征在科技创新、工业制造以及国家安全建设等方面的作用尤为重要。基因结构数据的高质量提取不但关系到重大工程的服役安全,也关系到材料智慧设计及产品终端质量与成本。如何高质量、高效率地提取和... 详细信息

材料基因的识别及显微结构的数字化表征在科技创新、工业制造以及国家安全建设等方面的作用尤为重要。基因结构数据的高质量提取不但关系到重大工程的服役安全,也关系到材料智慧设计及产品终端质量与成本。如何高质量、高效率地提取和分析材料大数据已成为当前制约新材料智慧研发的关键。综合分析数字化时代下材料研发的特点及今后发展方向,针对材料基因库的构建提出了可视化及数字化表征的方法,建立了材料微观基因结构与宏观力学性能的数字化关联。

关键词：海洋用钢智慧研发材料基因晶体结构数字化表征

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材料基因解密高温超导机理

稀土 2022年第2期43卷 41-41页

作者：无中国科学院网站

近日,中国科学院物理研究所赵忠贤院士团队金魁研究员、胡江平研究员和美国马里兰大学Ichiro Takeuchi教授等人报道了在电子掺杂的氧化铜La_(2-x)Ce_(x)CuO_(4)(LCCO)中超导转变温度(Tc)、线性T散射系数(A1)和掺杂水平(x)之间的精确定... 详细信息

近日,中国科学院物理研究所赵忠贤院士团队金魁研究员、胡江平研究员和美国马里兰大学Ichiro Takeuchi教授等人报道了在电子掺杂的氧化铜La_(2-x)Ce_(x)CuO_(4)(LCCO)中超导转变温度(Tc)、线性T散射系数(A1)和掺杂水平(x)之间的精确定量标度律的观察。外延成分扩散膜的高分辨率表征涵盖了LCCO的整个过掺杂范围,能够以前所未有的精度和Δx=0.0015的增量系统地绘制其结构和输运性质。

关键词：马里兰大学超导转变温度扩散膜精确定量散射系数材料基因标度律输运性质

东莞材料基因研究院张书彦:完善青年科技人才发展体系培育壮大青年科技人才队伍

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广东科技 2024年第5期33卷 59-61页

作者：张书彦牛津大学东莞材料基因高等理工研究院

[导读]人才是第一资源,在推动经济高质量发展和高水平科技自立自强方面发挥重要作用。近年来,广东高度重视青年科技人才培养,制定出台了一系列举措,支持青年科技人才实现大发展。2024年7月31日省人大常委会通过的《广东省科技创新条例》... 详细信息

[导读]人才是第一资源,在推动经济高质量发展和高水平科技自立自强方面发挥重要作用。近年来,广东高度重视青年科技人才培养,制定出台了一系列举措,支持青年科技人才实现大发展。2024年7月31日省人大常委会通过的《广东省科技创新条例》(以下简称《条例》)明确支持青年科技创新人才发展,让青年科技人才当主角、挑大梁,并着力解决其面临的职业早期科研支持不够,成长平台和发展机会不足等问题。本刊特邀东莞材料基因高等理工研究院院长张书彦结合自身情况对《条例》相关内容进行解读。

关键词：青年科技人才科技人才队伍材料基因自立自强高等理工成长平台《条例》培育壮大

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华南理工大学教授殷盼超:新视角探索材料基因,推动新材料产业革新

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科技与金融 2022年第1期 59-62页

作者：黄帅黎芸妃不详

作为第十二批国家高层次人才计划青年项目获得者,2017福布斯中国医疗、健康和科技组30位30岁以下精英榜入选者,华南理工大学教授、博士生导师殷盼超教授,他的研究方向集中在发展散射手段研究基于团簇分子的纳米复合材料的构效关系,发展... 详细信息

作为第十二批国家高层次人才计划青年项目获得者,2017福布斯中国医疗、健康和科技组30位30岁以下精英榜入选者,华南理工大学教授、博士生导师殷盼超教授,他的研究方向集中在发展散射手段研究基于团簇分子的纳米复合材料的构效关系,发展更具普适性的应用材料研发手段,并不断为社会输送“人才血液”,践行“真正地把论文写在祖国大地上”。

关键词：新材料产业高层次人才华南理工大学材料基因构效关系博士生导师福布斯中国纳米复合材料

赋能产业科技强国——东莞材料基因高等理工研究院

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中国科技产业 2023年第4期 F0004-F0004页

本刊讯东莞材料基因高等理工研究院位于松山湖高新技术产业开发区,依托粤港澳大湾区重大科技基础设施——“国之重器”中国散裂中子源,与中科院散裂中子源科学中心共同研制建设散裂中子工程材料衍射谱仪,并配套完整的材料研发、制备、... 详细信息

本刊讯东莞材料基因高等理工研究院位于松山湖高新技术产业开发区,依托粤港澳大湾区重大科技基础设施——“国之重器”中国散裂中子源,与中科院散裂中子源科学中心共同研制建设散裂中子工程材料衍射谱仪,并配套完整的材料研发、制备、表征和检测评价等仪器设施,对材料设计与加工工艺优化、质量安全检测、结构服役安全评估、延寿分析等问题,开展多尺度理论模拟和多方法实验测量研究,为工业领域的材料与装备制造提供一站式技术解决方案和专业咨询服务,是基础科学研究与应用技术研究相结合的先进制造服务平台。

关键词：粤港澳大湾区高新技术产业开发区科技强国基础科学研究重大科技基础设施多尺度理论材料基因装备制造

东莞材料基因高等理工研究院3D打印高导热模具钢材料进入中试生产

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模具制造 2022年第10期22卷 I0021-I0021页

2022年9月20日,东莞材料基因高等理工研究院下属的增材制造中心,成功开发了一种新型3D打印高导热模具钢粉末材料并实现了中试生产。该款材料的研发面向航空航天、汽车和工业模具等高端领域行业需求,依托省基础与应用基础重大项目开展。... 详细信息

2022年9月20日,东莞材料基因高等理工研究院下属的增材制造中心,成功开发了一种新型3D打印高导热模具钢粉末材料并实现了中试生产。该款材料的研发面向航空航天、汽车和工业模具等高端领域行业需求,依托省基础与应用基础重大项目开展。未来,有望在消费电子、医疗和汽车模具等领域展开应用,可实现降本增效,加速东莞模具制造的转型升级。

关键词：转型升级中试生产 3D打印航空航天增材制造汽车模具粉末材料材料基因