Unleashing the Potential of Unidirectional Mechanical Materials: Breakthroughs and Promising Applications

The emergence of mechanically one-way materials presents an exciting opportunity for materials science and engineering. These substances exhibit unique nonreciprocal mechanical responses, enabling them to selectively channel mechanical energy and facilitate directed sound propagation, controlled mass transport, and concentration of mechanical energy amidst random motion. This article explores the fundamentals of mechanically one-way materials, their potential applications across various industries, and the economic and environmental considerations related to their production and use.

Directed Transport of Interacting Particle Systems： Recent Progress

Recent developments in studies of directed transport processes in interacting particle systems are retrospected. Due to the interactions among elements, the directed transport process exhibits complicated and novel cooperative dynamics. We considered various possibilities in achieving ratchet motion by breaking different symmetries of many-body systems. It is shown that the directional transport can even be induced by breaking the coupling symmetry and the spatiotemporal symmetries.

Collective Directional Transport in Symmetric Periodic Potentials by Breaking the Coupling Symmetry

Collective unidirectional motion of an asymmetrically coupled array of oscillators in symmetric periodic potentials is studied. A directed current is observed when the drift coupling is presented, while no external biased force is applied. Negative directed current is found when varying system parameters. An addition of a periodic rocking force may enhance the efficiency of directed transport. Resonant steps of the current are found and interpreted as the mode locking between the array and the ac force. Noise-assisted transport is observed, and an optimal noise intensity can give rise to a most efficient transport. The directed transport thus can be optimized and furthermore controlled by suitably adjusting the parameters of the system.

Direct Observation of Carrier Transportation Process in InGaAs/GaAs Multiple Quantum Wells Used for Solar Cells and Photodetectors

The resonant excitation is used to generate photo-excited carriers in quantum wells to observe the process of the carriers transportation by comparing the photoluminescence results between quantum wells with and without a p-n junction. It is observed directly in experiment that most of the photo-excited carriers in quantum wells with a p-n junction escape from quantum wells and form photoeurrent rather than relax to the ground state of the quantum wells. The photo absorption coei^cient of multiple quantum wells is also enhanced by a p-n junction. The results pave a novel way for solar cells and photodetectors making use of low-dimensional structure.

Directed transport of coupled Brownian motors in a two-dimensional traveling-wave potential

Considering an elastically coupled Brownian motors system in a two-dimensional traveling-wave potential, we investigate the effects of the angular frequency of the traveling wave, wavelength, coupling strength, free length of the spring, and the noise intensity on the current of the system. It is found that the traveling wave is the essential condition of the directed transport. The current is dominated by the traveling wave and varies nonmonotonically with both the angular frequency and the wavelength. At an optimal angular frequency or wavelength, the current can be optimized. The coupling strength and the free length of the spring can locally modulate the current, especially at small angular frequencies. Moreover, the current decreases rapidly with the increase of the noise intensity, indicating the interference effect of noise on the directed transport.

Controlling the Directed Quantum Transport of Ultracold Atoms in an Optical Lattice with a Periodic Driving Field

We propose a new method to control the directed quantum transport of ultracold atoms in a one-dimensional optical lattice. In this proposal, the effective tunneling between the neighboring sites can be adjusted via coherent destruction of tunneling by tuning the phase of the external field, instead of using the driving field intensity or the frequency, thus the directed quantum transport of ultracold atoms can be coherently controlled in a nmch easier manner. Our proposal overcomes the major drawback of the method used by Creffield et al [Phys. Rev. Lett. 99 （2007） 110501], and can be implemented, in principle, in any one-dimensional optical lattice. Some potential applications of the scheme are also discussed.

ITER氦冷固态实验包层模块第一壁氢同位素双向输运数值分析

氦冷固态实验包层模块(HCCB-TBM)安装于国际热核聚变实验堆(ITER)中,用以验证HCCB包层概念的氚增殖能力与热移出能力。HCCB-TBM第一壁用于承受堆芯等离子体粒子轰击和包容内部功能材料。外侧等离子体驱动氘、氚粒子渗透与内侧氢分压驱动渗透的同时存在,形成了第一壁的双向氢同位素输运。此双向输运可能对第一壁外表面再循环系数、包层增殖氚的纯化产生重要影响。基于商业软件COMSOL建立第一壁双向氢同位素输运模型,研究第一壁的氢同位素的输运特征。仿真结果表明:第一壁中的冷却剂流道具有强的氢同位素移出能力,使得双向输运解耦合;在ITER等离子体脉冲周期中,放电过程中已扩散到材料内部的氚在等离子体关停时扩散回流到真空室侧,关停时的回流将降低向冷却剂流道的氚渗透损失。

可见光抗菌的单向导湿自泵织物

具有湿度管理和抑菌性能的功能织物可以有效提高穿着舒适度。现有方法往往通过在亲水织物表面物理浸涂抗菌剂,虽然可起到短效抑菌作用,但会导致抗菌剂大量突释,引起皮肤不适,抗菌能力快速减弱。本文利用静电纺丝方法制备了一种掺杂可见光激发抗菌光敏剂的自泵织物(Self-pumping textile,SPT),实现了汗液的单向移除同时高效抗菌。自泵织物由疏水的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)纤维和亲水的碱水解醋酸纤维素(CA)纤维组成,其中亲水纤维中掺杂了具有高活性氧产生能力的聚噻吩(PT2)光敏剂。在接触角导液模型中,我们证实了导液时间随疏水层厚度增加而延长,当疏水层电纺时间为60 s时,水分可以在10 s内从疏水层单向导出到亲水层。使用功率为25 mW/cm^(2)的氙灯光模拟日常太阳光进行抗菌,结果表明,10 min可以杀灭95%以上的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。本工作为功能性织物的设计提供了一种新的思路。

“双碳”目标下氢能产业技术发展分析

氢能作为清洁、高效的能源,对于实现全球能源转型和碳中和目标至关重要.随着全球能源需求增长和气候变暖挑战,世界各国都在积极推动能源绿色转型.氢能不仅可替代部分化石燃料,还是可再生能源的有效补充.近年来,全球能源领域正在经历绿色转型,氢能产业得到长足发展,其在交通、储能、工业等方面应用范围得到显著增长.从分析氢能产业技术入手,总结国内外氢能产业发展现状,梳理目前氢能产业面临的问题,展望氢能产业未来发展方向,全面阐述氢能链发展进展.未来,氢能预计将成为全球能源转型和实现气候目标的关键力量,促进清洁能源应用,为经济带来新增长点,对缓解气候变暖和提升能源安全具有重要意义.

国Ⅵ直喷汽油机颗粒数量及微观形貌排气输运演变特性

开展了某一国Ⅵ直喷汽油机三元催化转化器(TWC)前、TWC后、汽油机颗粒捕集器(GPF)后3个位置的颗粒物采样及微观形貌研究,分析了发动机工况、TWC、GPF对国Ⅵ直喷汽油机尾气颗粒数量、粒径分布、微观形貌的影响。结果表明,该直喷汽油机尾气颗粒数量排放整体上呈单峰分布,低转速小负荷工况下,粒径<23nm的颗粒数量较高。随着发动机转速和负荷的增大,峰值粒径向大粒径方向移动。直喷汽油机尾气颗粒物由“核‒壳”结构基本碳粒子堆积形成,呈链状、枝状、簇状等结构;负荷增大,颗粒物尺寸略有增大,基本碳粒子重叠度增强,分形维数增大;转速增大,颗粒物尺寸减小,基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。随着排气输运的进行,颗粒数量逐渐降低;TWC不影响颗粒的粒径分布形态,颗粒数量净化效率41.6%~94.2%,对<23 nm的小粒径颗粒净化效果较好,低转速小负荷工况的颗粒数量净化效率较高;GPF的颗粒数量净化效率约80%,23~100 nm颗粒数量净化效率较高,对粒径<10nm的颗粒净化作用不大。TWC和GPF不影响颗粒物结构形式,TWC和GPF后颗粒物基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。

考虑物流时效的电商农产品供应链演化博弈研究

针对直播电商背景下农产品供应链中存在的生鲜农产品到货不及时以及消费者购买意向低等问题,对电商平台、物流企业和消费者构建三方演化博弈模型,分析各方的博弈行为和演化稳定策略。根据市场上物流企业存在的时效性较差和较好两种情形,运用MATLAB软件进行数值仿真,探究在不同主播努力水平下影响该动态系统演化趋势及演化稳定策略的关键因素。研究发现:平台押金和物流期望满意值的变化在物流时效性较差时影响物流企业和消费者的策略选择;主播佣金比率和平台增值服务投入与电商平台选择高效运营的概率在物流时效性较好时呈负相关关系;减少消费者增值服务有利于平台长期发展和降本增效。研究结果结合直播电商运营情况对农产品供应链提出建议。

基于重力驱动液滴定向运输的主动式抗细菌黏附及抗菌研究

有害细菌黏附在各种材料表面会时刻危害着人类生命健康,每年为应对有害细菌黏附所付出的经济成本数以亿计。黏附在材料表面的细菌最终将形成难以清除的生物膜,预防细菌在初始阶段的黏附可以显著减少生物膜的形成,这是应对细菌黏附的有效途径。迄今为止,预防细菌的初始黏附所采用的手段包括超疏水表面、超亲水表面、润滑表面和智能响应型防黏附表面等。但上述提到的绝大多数抗细菌黏附手段属于静态的被动式抗细菌黏附策略,本研究提出了一种基于重力驱动实现液滴定向运输的主动式抗细菌黏附策略,并且结合银纳米粒子负载的杀菌区构建了一种新型主动式抗细菌黏附系统。通过实验探究了微坡高度、倾角与液滴运动的关系,并得到了最优条件。动态抗细菌黏附测试发现对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗黏附率高达99.71%和98.79%,具有良好的主动抗细菌黏附效果,验证了重力驱动细菌液滴定向运输主动式抗细菌黏附策略的有效性。末端杀菌区不但具有良好的被动抗黏附效果,并且可以有效地杀死运动至杀菌区的细菌液滴,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率高达100%和100%。本研究提出的基于重力驱动实现液滴定向运输的主动式抗细菌黏附策略的抗黏附效果显著,构建的整个新型主动式抗细菌黏附系统具有良好的抗细菌黏附和杀菌能力,为应对细菌黏附提供了一种全新的策略,在生物医学、微流控技术和工业生产等领域具有重要的应用前景。

粤西砂石骨料海铁联运陆港运输组织方案探讨

粤西地区拥有良好的建筑用花岗岩矿产资源禀赋,结合地区交通状况,发挥海铁联运优势,花岗岩砂石骨料通过铁路运至港口装船。采用底开门漏斗车运输砂石骨料,上游矿区建设集装站设环形装车线及散料快速装车系统,开行矿区至港湾站的循环固定车底直达列车,港口建设港湾站设贯通式砂石骨料卸车线,合理匹配底开门漏斗车与卸料槽的适应性。研究集装站装车作业方式和车站布置形式,确定铁路装车作业流程,通过分析港湾站运输组织方案和卸车作业流程,选择一站两场纵列式港湾站布置形式,按照海铁联运产业政策,结合供应链环节中铁路系统、港口系统和海运及装船系统多要素比选得出推荐意见,为采矿业企业的砂石骨料陆港运输提供智能高效、绿色环保的解决方案。

不同铁矿物对酱香型白酒封窖泥厌氧消化的影响

通过向废弃窖泥厌氧消化系统中分别添加强氧化性的水铁矿和弱氧化性但有导电性的磁铁矿,考察Fe(Ⅱ)、有机物、微生物群落结构等的变化,探究不同类型Fe(Ⅲ)矿物对窖泥厌氧消化的影响。结果表明,水铁矿组富集铁还原菌,Fe(Ⅱ)含量第12天迅速增加至900 mg/L,表明水铁矿发生了异化铁还原。磁铁矿组与对照组中Fe(Ⅱ)含量几乎一致,说明磁铁矿没有发生异化铁还原。水铁矿组和磁铁矿组中COD去除量分别比空白组增加了16.1%和4.9%,表明水铁矿和磁铁矿均促进了有机物的去除。磁铁矿组富集了Geobacter和Methanosarcina,促进了直接种间电子传递(DIET),增加了23.4%的甲烷产量,而水铁矿抑制甲烷化,降低了32.2%的甲烷产量。

枯草芽孢杆菌YvdSR蛋白转运Na^(+)关键残基的研究

对枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis strain 168)双组分基因YvdSR表达的双组分蛋白YvdSR进行功能鉴定,得出YvdSR具有转运Na^(+)/Li^(+)功能,为探究YvdSR离子转运机制,分别对两种组分作同源序列比对,从每种组分中筛选出完全保守的酸性氨基酸残基并进行氨基酸残基定点突变。结果表明,YvdS和YvdR共有的E13在同源物中完全保守且突变为丙氨酸后均失去Na^(+)(Li^(+))/H^(+)逆向转运活性,说明两种组分的E13均是蛋白质行使功能不可或缺的,YvdS的E13A经回复突变后可恢复高水平Na^(+)(Li^(+))/H^(+)逆向转运活性,YvdR的E13A经回复突变后仍失去Na^(+)(Li^(+))/H^(+)逆向转运活性,表明YvdS和YvdR在Na^(+)(Li^(+))/H^(+)逆向转运中行使不同功能。

基于车船直取模式的集装箱海铁联运衔接优化

为解决车船直取模式下集装箱海铁联运衔接优化问题,基于固定的船期,本文考虑火车班列和集装箱船在时间和运量两个维度上的衔接,以衔接班列数量最大化、衔接船舶数量和时刻表调整最小化为目标,构建海铁联运班列时刻表优化的混合整数非线性规划模型,并基于分层优化方法进行求解。以深圳盐田港为例,对模型进行分析验证。结果表明:考虑时间和运量衔接的班列时刻表优化,可以带来衔接的班列数量增加6个,车船直取集装箱总量增加466 TEU,提高了75%;衔接的船舶数量增加了1个,3艘船装载的车船直取箱量分别提高了2.6%、4.2%和2.5%;集装箱在港口总停留时间缩短了26%。研究表明,该模型可为改善港口车船直取模式下海铁联运衔接水平提供有益参考。

基于SPH-SDPD耦合方法的液滴定向输运多尺度数值研究

利用SPH-SDPD耦合方法对液滴定向输运现象进行多尺度数值计算,研究得出:当基底速度保持不变时,液滴疏水性越好,液滴承受剪切力的能力越差,在惯性力作用下,越容易发生定向输运;液滴在运动基底上的定向输运主要驱动力是惯性力,而恢复平衡的过程主要由表面张力和接触角滞后产生的力共同作用。

大芦线东延伸航道运输经济性简析

大芦线东延伸航道是适应国家运输结构调整、长三角内河集装箱河海直达运输市场发展新形势以及优化上海国际航运中心洋山深水港区集疏运系统的一项关键工程。综合梳理了大芦线东延伸航道工程概况与远期运量,深入分析了大芦线东延伸航道运输经济性。主要研究结果表明:大芦线东延伸航道在集装箱“公转水”、河海直达航线运距缩短以及碳排放减少等方面所产生的效益是显著的,具有良好的运输经济性。

基于水基无氟方法制备单向导水织物研究

单向导水织物在吸湿排汗服饰、土壤稳定、水资源管理、农业、环境保护等领域中广泛应用,但是目前制备单向导水织物往往使用有机溶剂和含氟化学品,对环境、人体健康等造成危害。本文基于水基无氟方法制备单向导水织物,先对织物进行聚多巴胺涂层处理,然后将十六烷基三甲氧基硅烷水解产物通过静电纺丝的方法喷涂在聚多巴胺修饰的织物单面,形成防水的单面。由于没有喷涂的一面保持超亲水的特性,织物就形成了从超亲水到超疏水的梯度结构,从而具有单向导水的性质。此制备方法安全环保,具有广泛的应用前景。

超深竖井整体施工关键技术

竖井施工属于立面作业,施工难度较大,安全风险非常高。水电工程竖井深度大多在200m以内,200~300m施工较为困难,超过300m一般要设支洞分段施工,部份深竖井由于受地形等限制,现场施工很难进行分段实施,只能采取整体施工方案,属于超深竖井施工的范筹。超深竖井需解决的几个关键技术问题:出渣通道,人员、物料运输、混凝土输送以及渗水处理、除雾等。