水溶性污染物在土壤中转化的原位实验方法

建立了一种研究水溶性污染物在土壤中运移转化的原位实验方法。该方法已成功地应用于研究黄土中氨氮的运移转化规律 。

大型仪器平台原位实验系统的引入与开展探索

科研水平的发展对大型仪器表征提出了越来越高的要求。针对大型仪器平台原位实验测试系统欠缺,原位表征难以实现的问题,根据材料学院的现有资源配置及学科发展需求特点出发,提出几个解决思路:通过仪器改造,充分开发现有实验装置的原位测试功能;以课题组合作形式,解决部分原位表征系统引入;引入原位实验系统相关虚拟仿真项目。实践表明,这是拓展大型仪器平台表征潜力、高效率引入原位实验测试的有效途径。

营养盐对藻类生长影响的原位实验研究

淡水水体中水华的暴发对水环境造成严重危害,营养盐对形成水华起着重要的作用。为探究水华暴发期营养盐对藻类生长的影响程度,以三峡水库的支流澎溪河原生藻类群落为实验对象,利用自主设计的原位装置开展原位受控实验。在装置内进行了磷、高氮和低氮3种实验,装置内的其他生境条件与周围的环境保持一致。研究发现:在磷实验和低氮实验过程中,叶绿素呈下降趋势,而在高氮实验中叶绿素呈上升趋势。为明确不同实验条件下叶绿素变化趋势不一致的原因,通过化学计量学、相关性分析及非线性拟合等方法,对形成不同叶绿素趋势的原因进行了分析研究,结果表明:水华暴发期澎溪河藻类生长的最适N∶P为32.52,且澎溪河藻类生长的最适总磷和总氮浓度分别为0.12、2.44 mg/L;营养盐和水温是原位条件下藻类生长的主要影响因素,营养盐浓度过高(总氮浓度高于2.44 mg/L)、营养盐浓度过低(低于化学计量学上藻类所需要最低营养盐浓度)、水温过低(低于20℃)均会抑制藻类的生长,且与营养盐浓度过高相比,水温过低/营养盐浓度过低对藻类生长抑制作用较强;水华的暴发需要同时满足营养盐条件(营养盐浓度需大于藻类在化学计量学上所需要的最低浓度)和温度条件(水温高于20℃)。

高分辨透射电子显微镜的原位实验综述

高分辨透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)原位实验是在纳米乃至皮米尺度上实时研究物质在不同场环境中的原子和电子结构变化、探寻材料在使役条件下性能根源的一类实验研究方法,在基础科学探索与产业技术研发的源头创新中起着不可或缺的作用.本文详细介绍了高分辨透射电镜原位实验研究的技术原理以及应用进展.按照原位电镜实验实现手段进行分类,概述原位电子束照射、环境透射电镜、四维超快电镜、原位加热、加电、力学、光学、液体、气体样品杆等各类高分辨原位电镜实验的实验技术、原理以及应用的最新进展.随着技术的进步,高分辨原位电镜实验正向着芯片化、复合化和定量化的方向发展,而目前所遇到的电子束、磁场的干扰以及成像速度问题相信在不远的将来会得到解决.

层状包气带“三氮”污染物迁移转化原位实验研究

探究包气带氮污染物迁移转化规律对地下水“三氮”污染防控具有重要意义。由于包气带水分及溶质运移高度非线性且土壤层状界面动力学过程复杂,包气带岩性结构对氮元素迁移转化的作用机制是亟待破解难题之一。文章通过双环原位入渗实验,开展了“上细下粗”型包气带岩性结构对“三氮”污染物迁移转化影响的研究。双环内氨氮溶液质量浓度为85 mg·L^(−1)(以N计),入渗过程中利用EC-5土壤含水率仪实时监测土壤含水率变化,定期从预留取样孔(井)采集土壤与地下水样品,密封冷藏运送至实验室检测。结果表明,(1)“三氮”污染物在层状包气带垂向分布具有明显的分层特征。氨氮主要聚集在包气带上部0—355 cm之间,平均质量分数为0.66 mg·kg^(−1);亚硝酸盐氮主要聚集在包气带中部250—400 cm之间,平均质量分数为1.55 mg·kg^(−1);硝酸盐氮主要聚集在包气带上部0—35 cm之间,平均质量分数为26.69 mg·kg^(−1)。(2)“上细下粗”型岩性结构形成的毛细壁垒效应对氨氮和硝酸盐氮皆具阻滞作用。氨氮、硝酸盐氮污染物分别减少97.37%和40.65%。(3)层状包气带结构对硝化作用的影响是造成亚硝酸盐氮与硝酸盐氮出现聚集的主要原因。该研究查明了层状包气带中氮污染物迁移转化规律,为氮元素通过“上细下粗”型包气带污染地下水的防控提供了重要的实验依据。

浅埋深黏土包气带氮迁移转化原位实验研究

通过原位实验,对浅埋深黏土包气带中氮的迁移转化开展研究.结果表明,实测地下水埋深介于145.9~173.6cm,地下水毛细上升高度计算值可达297.0cm,土壤含水率除表层外介于0.30~0.45cm^(3)/cm^(3);NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N在地面以下155cm含量最高为1.43,23.00mg/kg,超出背景值1.13,21.05mg/kg;包气带含水率近饱和条件下,粘土对氮污染物迁移阻滞作用减弱,NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N在1d内自地表迁移至155cm.浅埋深地下水减弱了黏土对氮污染物运移的阻滞作用.浅埋深地下水减弱了黏土对氮污染物运移的阻滞作用.

磷酸盐氧同位素前处理方法优化——基于磷酸盐富集凝胶的原位实验研究

为提高磷酸盐氧同位素(δ^(18)O_(p))技术在内陆流域中的适用性,构建一种基于磷酸盐原位富集的δ^(18)O_(p)前处理方法。以水合氧化锆作为磷酸盐选择性吸附材料,制备磷酸盐原位富集凝胶。基于内陆流域的水环境特征,选择子牙河水系的牛尾河为原位实验场地,通过响应面法确定原位富集凝胶最优的材料用量,富集时间以及洗脱时间。结果表明:单位面积的凝胶加入水合氧化锆用量3.17 g,富集时间5 h 43 min,洗脱时间50 min,最终可洗脱出0.039 mg磷酸盐。针对洗脱出的磷酸盐溶液,结合现有的纯化方法,最终构建适用于内陆流域的磷酸盐氧同位素前处理方法。本方法的成功建立能够为δ^(18)O_(p)技术在内陆流域中的应用提供重要支撑。

纤维增强大块非晶的各向异性压缩力学行为原位实验研究

钨纤维增强锆基大块非晶复合材料(WF/Zr-based bulk Metallic Glass matrix composite,WF/Zr-MG)由于其高密度、高强度和高绝热剪切敏感性的特点,在动能侵彻领域应用广泛。为了进一步精确表征在正撞和斜撞等穿甲过程中不同穿甲姿态对复合材料穿甲性能的影响,搭建准静态和动态显微原位压缩实验平台。通过对0°、10°、25°、45°、65°以及90°共6种不同纤维排列角度下的试样进行原位力学性能实验测试和显微图像分析,研究6种不同纤维排列角度WF/Zr-MG的压缩力学行为,进而得到复合材料失效强度随纤维排列角度的变化情况。根据实验结果划定考虑应变率与纤维排列角度WF/Zr-MG的失效强度包络线。所得结果为材料在不同穿甲姿态和加载速率下提供了一个安全应力状态范围参考,对于穿甲材料的研制具有重要意义。

Aermet100钢高温保温过程奥氏体晶粒演化的原位实验研究

材料在加热保温过程中的微观组织演化会影响后续的变形过程。为了实现材料热变形过程中微观组织的有效调控,采用高温激光共聚焦设备原位研究了Aermet100钢在加热保温过程中奥氏体晶粒的演化规律。结果表明:随着加热速度的减小、保温温度和保温时间的增加,奥氏体晶粒尺寸增加。相比于加热速度和保温时间,保温温度对奥氏体晶粒尺寸的影响更显著。1000℃为Aermet100钢奥氏体晶粒长大的临界温度,当保温温度低于1000℃时,奥氏体晶粒尺寸较小;当保温温度高于1000℃时,奥氏体晶粒尺寸显著增加。基于统计的晶粒尺寸,提出了两种耦合加热速度、保温温度以及保温时间影响奥氏体晶粒长大的模型,两种模型的预测值均与实验值吻合很好,表明建立的两种晶粒长大模型是可靠的。

深海科学实验装备发展研究

深海孕育了世界上最大的生态系统,对深海相关演变规律的深刻认知将支撑人类社会的可持续发展;深海极端环境条件决定了开展原位实验作业非常困难,也对深海科学实验装备提出了苛刻的要求。本文从深海科学实验研究的视角出发,按照深海试验装备及试验场、深海原位探测与实验装备、深海环境模拟实验装备的主要划分,系统梳理了国内外深海科学实验装备的发展态势和面临的问题。我国在深海科学实验装备领域已形成了一批自主研发的装备技术,推动了深海科学研究进步,部分优势方向已跻身国际先进水平;但在高精尖装备及其关键核心技术方面未能构建成熟的产业链,导致部分装备发展受限、一些技术薄弱环节凸显。需要加强顶层谋划、协调技术攻关,建立激励机制、推动创新转化,建设示范平台、形成标准体系,突破传感技术、加快国产进程,加强国际合作、提升创新能力,以深海科学实验装备高质量发展推动深海科学研究和海洋强国建设。

基于反应状态原位测试的空冷型燃料电池运行参数分析

空冷型质子交换膜燃料电池内部反应状态是影响电池输出性能和稳定性的关键因素.通过研制空冷燃料电池反应状态的原位测试装置,实现电池温度和电流密度的实时测量,揭示氢气出口脉排间隔、氢气入口气压和阴极风速对电池性能的影响机制.研究表明:空冷电池中温度和电流密度分布不均,平均电流密度为500 mA/cm^(2)时,电池内温度极差达到20℃,电流密度极差达到400 mA/cm^(2).氢气出口脉排间隔越短、入口气压越大,氢气出口区域性能越好,分布均匀性越好,电流密度波动也越小,输出稳定性提高.如果阴极风速过低,电池局部温度高,温度分布均匀性降低;风速过高则导致生成水被吹走,质子膜含水量下降,电流密度分布均匀性变差.

南海北部涠洲岛边缘珊瑚礁的生物侵蚀实验研究

在全球变化背景下,边缘珊瑚礁面临着来自自然与人类的双重压力。海水富营养化引起的生物侵蚀加剧,虽然较为隐蔽,但却会对珊瑚群落的发育以及礁格架的稳定性产生不良影响,是边缘珊瑚礁潜在的危害之一。本研究在南海北部涠洲岛三个典型的边缘珊瑚礁开展了近一年的原位侵蚀实验,定量分析了珊瑚礁的生物侵蚀强度与侵蚀速率,并结合卫星遥感监测的水体环境参数,探究了珊瑚礁侵蚀与海水环境的关系。研究发现,内部大型侵蚀生物的侵蚀速率相比侵蚀强度更能够指示海水富营养盐与高浊度环境,而侵蚀强度能够体现侵蚀生物的群落演替阶段。此外,将涠洲岛生物侵蚀速率数据与全球其他典型珊瑚礁区域进行对比,发现涠洲岛生物侵蚀速率处于全球中等水平(以内部大型侵蚀生物为主导),但在其所属的“人为边缘礁”类型中为较低水平。结合气候变化、城市化发展、礁体健康状况等趋势以及本研究结果,推测涠洲岛的生物侵蚀可能会继续加强,达到“人为边缘礁”的高侵蚀水平,并进一步加剧珊瑚礁的退化。

风浪扰动中太湖OA对水体磷循环影响的原位实验研究

在一次风速12 m.s-1的强风浪过程中,对太湖梅梁湾一浅水区水体有机聚集体(organic aggregates,OA)丰度、颗粒态有机质含量、碳、氮和磷含量等基本理化性质的变化情况进行了连续的原位监测和分析,同时分析了基本的水质指标.结果表明,风浪过程会对水体OA的理化性质及水体的磷循环产生极大的影响:在风浪过程中,OA丰度出现显著的增加,达到316.87mg.L-1,为无风时期均值的29倍;虽然在此过程中,水柱中以OA形式存在的营养盐总量出现了显著的增加,但同时OA丰度也出现了显著的上升,水体OA中颗粒态碳、氮和磷等营养元素浓度都出现了下降,下降幅度都超过50%;由于风浪扰动引起了沉积物悬浮,水体总悬浮颗粒物(SS)、总氮(TN)和总磷(TP)的浓度出现了显著的增加,达到325.5、9.43和0.242mg.L-1,分别为无风期的17.5倍、1.8倍和2.8倍.但是溶解态营养盐如溶解性总氮(TDN)、溶解性总磷(TDP)、溶解性反应磷(SRP)等的浓度却没有出现明显的上升;风浪过程中沉积物的再悬浮导致水体OA碱性磷酸酶活性和OA可酶解磷含量都出现明显的增加,最高达到0.005 9μmol.(L.min)-1,可见风浪扰动加速了OA磷的矿化速率和水柱中SRP的供给补偿;风浪过后,OA丰度、OA碱性磷酸酶活性、OA可酶解磷、水体SS、TN和TP等指标均出现了显著的回落并逐步达到了风浪前的水平.这说明风浪扰动引起的水体SRP释放可能并不是SRP直接由沉积物暴发性释放,而是水体颗粒态磷(尤其是OA磷)酶解并向水柱缓慢的连续性释放.

花岗岩类矿床成矿流体形成过程的原位观测实验

花岗岩浆液态不混溶作用和饱和H2O花岗岩浆的热液出溶作用是花岗岩类矿床成矿流体形成的重要机制。利用最新式热液金刚石压腔,开展了成矿流体形成机制的原位观测实验。在岩浆热液出溶过程的实验中,初始样品为各类硅酸盐和纯H2O或LiCl水溶液,在H2O饱和状态中,硅酸盐熔体珠不断分异出富H2O的流体。花岗岩浆液态不混溶实验的初始样品为NaAlSi3O8-LiAlSiO4-SiO2-LiCl-H2O。在硅酸盐完全重熔后的降温过程中,硅酸盐熔体珠分离出富H2O熔体相和贫H2O熔体相,压力的突然降低促进了相分离的发生。研究表明:岩浆热液的出溶作用发生在H2O饱和的条件下,是岩浆的"第二次"沸腾作用,对花岗岩型稀有金属矿床的形成具有重要意义;花岗岩浆液态不混溶产生的富H2O熔体易于结晶出粗大晶体,暗示岩浆液态不混溶作用可能是一些花岗伟晶岩形成的主要机制。两类成矿流体形成机制实验条件的差异表明,Li是花岗岩浆发生不混溶作用的重要因素。在今后的研究中,应把热液金刚石压腔的原位观测与微束分析技术结合,在高温高压状态下分析成矿元素的迁移和富集规律。

便携式同步辐射原位激光加热装置研制

同步辐射实验方法在研究材料的结构和物性上具有独特的优势,然而,要实现同步辐射原位高温条件,尤其温度高于2000 K以上,对很多实验方法来说还是一个挑战。激光加热方法可以实现快速、微区的极端高温条件,已经成为高温物性研究的重要工具。上海同步辐射光源在极端高温研究领域,例如高熵合金、涡轮叶片、航空材料等还欠缺相关的原位高温条件,因此,研制了一种便携式连续激光加热装置,利用光谱仪获得样品的热辐射谱,并通过黑体辐射方法拟合出样品的温度梯度和温度稳定性。利用该装置成功实现真空环境中钨片的快速熔化(熔点约3695 K),并在上海同步辐射光源表面衍射线站获得了1608 K原位条件下的MoS2和CTAB-MoS2材料X射线衍射图谱。本工作所研制的激光加热方法拓展了上海光源在极端条件下的实验能力,为极端高温条件下的材料物性研究提供了重要手段。

基于原位观测的泡沫金属细观与宏观压缩实验研究

采用原位观测的方法研究了脆性泡沫铝材料在压缩载荷下细观与宏观断裂破坏规律和吸能机理。针对多孔泡沫金属材料提出一种细观原位加载实验方法,采用特别设计与制备的试件,在S570扫描电镜下研究了特定胞孔在压缩过程中孔壁的失效顺序和破坏规律,并揭示了能量吸收的细观机理。对块体材料的宏观压缩实验表明,脆性泡沫铝是以多个断裂带的形式破坏。研究发现,孔壁缺陷和胞孔形态缺陷是诱发断裂带形成与发展的重要因素。依据尺寸效应对细观与宏观实验下泡沫铝的性能进行了比较。

原位“Darcy实验”方法研究与实践

在室内Darcy实验原理和装置的基础上,设计了一套原位"Darcy实验"装置,原位试验条件满足Darcy定律的假定条件,能够应用Darcy定律确定包气带浅表层土的渗透系数。与室内"Darcy实验"相比,原位"Darcy实验"的测试结果更能准确地反映结构性土野外状态下的渗透性能。与其它原位试验相比,该方法在获取渗透系数方面具有试验装置简单、操作方便、观测数据直观的优点。应用该方法在中国西北部半干旱的黄土台塬开展了3组测试,成功地求取了区内包气带浅表层饱和黄土的垂向渗透系数,并将测试结果与双环试验、室内渗透试验、抽水试验及颗粒分析方法求得的渗透系数结果进行对比分析,发现应用原位"Darcy实验"求取的渗透系数更能准确地反映包气带浅表层土的渗透性能。同时,总结和探讨了一套原位"Darcy实验"的技术方法。

英国散裂中子源工程材料原位加载衍射实验高温样品环境优化设计

英国散裂中子源(ISIS)在工程材料中子衍射领域有着十余年丰富的研究经验,最为典型的衍射谱仪之一的Engin-X在材料、加工等方向有着广泛应用,包括残余应力分布测量、金属相变分析、微观力学研究等.Engin-X通过设置红外加热型高温炉配套材料试验机的样品环境以实现中子衍射原位高温力学实验,目前原位实验中高温炉最高设计温度可达1100℃.通过优化高温炉反射罩形状、布局、反射涂层,以及合理设置反射挡板等措施(例如采用一种椭圆-圆组合形状的反射罩),可实现更优的光线聚焦效果.模拟计算得知样品的能量吸收可提高109%以上,最终高温可达1400℃.相关研究有望拓展Engin-X中子衍射技术在材料研究领域的应用,同时也为中国散裂中子源(CSNS)工程材料衍射谱仪样品环境设计提供借鉴经验.

研究生实验教学模式的创新与实践——以原位杂交实验课为例

实验教学是培养学生科研思维、提高创新精神和实践能力的重要手段。本文通过介绍北京大学生命科学学院研究生原位杂交实验课,探讨了在科研实验室建立实验技术培训平台,将科研工作与研究生的实验教学有机结合,充分利用实验室资源的新型实验教学模式。在这种实验教学模式下,高校可以有效利用科研实验室的资源和技术优势为学生提供实验技术培训,提高了研究生的科研效率。

深层碳酸盐岩原位模拟实验及勘探启示——以川东北地区二叠系为例

关于川东北深层海相碳酸盐岩溶蚀型孔隙的成因,主要有两种观点:早期的大气淡水溶蚀和浅埋藏白云石化以及晚期的深埋藏流体溶蚀。以二叠系石灰岩和白云岩为例,通过原位模拟实验分析得知:随着埋深、温度的增加,方解石和白云石均趋向于胶结而不是溶蚀,其中方解石胶结程度更高。因此判定深部碳酸盐岩储层总体上发生溶蚀作用而形成孔隙的可能性较小,早期的成岩作用才是形成次生溶蚀的关键。