形状记忆合金论文

形状记忆合金论文

综上所述，智能材料在土木工程中的应用弥补了传统建筑结构适应环境能力弱的缺点，将建筑结构需要人为检测转向建筑结构带自我检测、调整和适应功能。下面是我为大家整理的土木工程材料论文，供大家参考。

摘要：

通过学习“土木工程材料”课程，应该使学生既学到了知识，又锻炼了能力、开阔了视野;既掌握了本课程的知识，又为其他专业课的学习打下了良好的基础。因此，搞好“土木工程材料”的教学，意义十分重大。

关键词：土木工程;材料

一、课堂教学

(一)突出重点

“土木工程材料”较多的课程内容，在有限的学时内不可能全部讲解，应根据专业性质，分清主次，突出重点。以程云虹等主编的《土木工程材料》[1]为例，课堂重点讲解的内容是：绪论，第一章(土木工程材料的基本性质)，第二章(无机胶凝材料)，第三章(水泥混凝土)，第四章(砂浆)，第六章(土木工程用钢)，第七章(沥青及沥青混合料)。通过绪论的学习，学生对土木工程材料有一个梗概的认识，对“土木工程材料”这门课程有一个大致的了解;第一章让学生了解土木工程材料基本性质，包括物理性质、力学性质及耐久性能等，同时了解材料科学的基本理论，即材料的组成、结构和构造及其与材料性质之间的关系;第二章、第三章、第四章、第六章及第七章分别讲解工程中最常用的几种土木工程材料的性质及应用。而第五章(砌筑材料)、第八章(木材)、第九章(合成高分子材料)及第十章(建筑功能材料)作为学生自主学习的内容，但教师应适时引导和鼓励学生在自主学习过程中积极思考并勇于提出问题。课堂教学中，把重点讲解的内容讲深讲透，让学生扎扎实实地掌握，做到学有所获;避免面面俱到，不求甚解。而且，有了重点讲解的内容作为基础，学生自主学习其他章节才不会感到困难。突出重点的课堂讲解与学生的自主学习有机结合，既有利于学生掌握系统的理论知识，又给予了学生自主学习的空间，有益于培养学生的质疑精神和解决实际问题的能力，发展学生的想象力和探索意识。

(二)科学讲解

“土木工程材料”课程的内容比较松散，讲解时容易产生平铺直叙的感觉，甚至索然无味;如能精心安排、科学讲解，效果会大不一样。比如，通用硅酸盐水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥，如果按照教材一种水泥接着一种水泥地讲，学生学起来会感到重复、堆砌、凌乱，甚至不知所云。因此，对于这部分内容要进行科学整合，重点把硅酸盐水泥的矿物组成、水化及凝结硬化过程、技术性质等等讲解透彻;而在介绍掺混合材料的硅酸盐水泥时，抓住活性混合材料的潜在活性及掺活性混合材料水泥的二次水化反应，然后用对比的方法给出各种水泥的共性和个性，这样内容紧凑了，脉络清楚了，学生掌握起来也就轻松了。了解了技术性质的异同点，进一步掌握各种水泥的工程应用就会很容易。再比如，在现代水泥混凝土技术中，外加剂已经成为水泥混凝土的一个重要组成成分，因此，为了内容的系统和完整，一般教材(如文献)都将“外加剂”放在“普通混凝土的组成材料”中来介绍。但外加剂是用来改善混凝土性能的，如果不了解混凝土的性能，很难深入理解外加剂的作用，因此，在讲授时，应作适当调整，把“外加剂”放到“混凝土拌和物的主要性能”和“硬化混凝土主要性能”的后面来讲，这样会更加方便学生对相关课程内容的理解和记忆。总之，科学地组织和讲解课程内容，对于做好“土木工程材料”课堂教学起到事半功倍的作用。

(三)理论联系实际

首先，从最熟悉的生活实际出发。土木工程材料与实际生活密切相关，其实，每个人在实际生活中都积累了很多相关经验，只是由于不具备专业知识，而不知道其中的道理。比如，某一水泥砂浆地面破损了，用水泥砂浆修补以后，需要浇水覆盖一段时间。相信很多人都见过这种做法，但不一定每个人都知道这是为什么。在讲解水泥的水化、凝结及硬化过程时，提到这一现象，学生一定会恍然大悟，原来这就是养护，并及时让学生了解养护需要一定的温度、湿度及时间。这样，把学生来自于生活的直接经验与书本上的理论知识结合起来，消除学生对课程的陌生感，激发了学生的学习兴趣。其次，大量列举工程实例。典型的工程实例是理解和消化理论知识的最有效方法，注重材料的工程应用背景，避免脱离工程孤立地讲解材料。比如，在讲到混凝土耐久性问题时，实例之一：北京三元立交桥桥墩，建成后不到两年，个别地方发生“人字形”裂纹，经分析认为主要原因是发生了碱-骨料反应;实例之二：乌克兰境内的切尔诺贝利核电站，由于钢筋混凝土结构的泄漏，造成大面积放射性污染，生态环境遭到严重破坏等。另外，还可以用数字来说明，“在工业发达国家，建筑工业总投资的40%以上用于现存结构的修理和维护，60%以下用于新的设施”。通过大量实例，使学生认识到混凝土耐久性的重要性，了解到很多混凝土结构的过早破坏不是由于强度不足，而是由于耐久性不足。最后，重视实验教学。实验课是“土木工程材料”课程的一个十分重要的教学环节，实验教学是课堂教学的一个很好的补充。实验课上，学生对从书本上学到的材料有了直观的认识，对材料的性能进一步了解，在自己动手做实验过程中，提高应用材料的能力。同时，通过实验验证基本理论，学习实验方法，培养科学研究的能力和严谨的科学态度。

(四)关注学科新进展

教材是教学的依据和根本，但教材的更新需要时间，而土木工程材料的发展非常迅速，因此，在教学过程中，应密切关注土木工程材料研究和工程应用的最新进展，并适时补充到教学中。同时，随着新材料及新技术的不断问世，有关材料的质量标准及相关设计和施工的规范也会随之更新，亦应将这部分内容及时补充到教学中。这样，有利于学生及时了解学科发展动态，拓宽专业视野，培养创新意识，激发探索精神，提高学生的工程素质及工程意识

二、课后作业

课后作业对课堂教学起到很好的巩固和补充作用。通过课后作业，学生能够更好地消化和理解课堂上学到的内容，并能对所学内容活学活用。本课程中，一部分课后作业来自于教材每章后面的复习思考题，需要教师紧扣课堂教学的重点和难点，从中精选，比如，混凝土骨料颗粒级配，普通混凝土配合比设计等。教师要对作业认真批改，并总结，使学生不是为了做作业而做作业，而是做到真正掌握。另一部分课后作业是综合性、讨论性的。比如，程云虹等主编的《土木工程材料》中的“开放讨论”部分，这部分内容具有一定的前瞻性，可以引导和启发学生做一些探索性的工作。即让学生从中选择自己感兴趣的内容，并围绕这一内容查阅文献，深度思考，自由讨论。拓宽了学生的视野，培养了学生科学研究的意识。

三、结束语

通过学习“土木工程材料”课程，应该使学生既学到了知识，又锻炼了能力、开阔了视野;既掌握了本课程的知识，又为其他专业课的学习打下了良好的基础。因此，搞好“土木工程材料”的教学，意义十分重大。

参考文献

1、国际大型土木工程承包项目投标风险定量评估刘睿天津大学2003-06-0155

2、土木工程中锚杆支护机理研究现状与展望贾颖绚,宋宏伟岩土工程界2003-08-3053

摘要：

关键词：

1智能材料在土木工程中的应用

1.1光导纤维在混泥土材料的监控

光导纤维材料，是一种光通信介质，其最大优点是传输速度快、信号衰减低和并行处理能力较强，经常被用于高要求的通信传输中。光导纤维和光纤传感器在土木工程中，主要用于对混泥土固化的监控。混泥土结构最大的缺点是抗拉强度弱、内部钢筋容易被腐蚀等，在大面积浇筑过程中由于混泥土结构内部和外部温度差异而导致混泥土块体出现裂缝。这种情况下，将光纤作为传感元件埋入混泥土结构中，对结构的强度、温度、变形、裂缝、振动等可能引起混泥土结构损伤的危险因素进行检测、诊断、预报。更进一步，如果控制元件能接入信息处理系统，并引入形状记忆类金属等智能材料，形成完整的控制系统，将能实现混泥土材料的自适应功能———这正是目前智能材料结构系统在土木工程中应用的前沿课题。

1.2压电材料

压电材料一般是指在收到压力后，材料两端会出现电压的晶体材料。压电材料在土木工程中的应用主要包括对于结构的静变形控制、噪声控制和抗震抗风等领域。传统的压电材料使用方法是通过压电传感元件对结构的震动进行感知，利用传感器输出结果，从而实现对于震动的感知和预警。在此基础上，采取合适的控制算法对压电体的输入进行控制和定量，从而实现对于结构震动的控制，这是目前压电类智能材料的研究前沿。随着研究的深入和技术的进步，压电类的智能结构土木工程中的应该越来越广泛。

1.3压磁材料

压磁材料在土木工程中的应用主要包括磁流变材料和磁致伸缩材料。基于磁流变材料的原理，当磁场的强度高于临界强度时，磁流变在极短时间内从液态向固态转化。在介于固液体之间可根据磁流变液特点具有的快速、可控及可逆性质，控制流体特性实施时需要较低的能量，因此在智能结构中通常将磁流变液作为动器件的主要材料。基于这点，磁流变材料可用于高层建筑的结构中，实现对地震的半主动控制。因为潜在应用前景的广阔，使得磁致伸缩材料近年来得到很大关注。磁致伸缩材料具有强烈的磁致伸缩效应，这种材料可以在电磁和机械之间进行可逆转换，这种特性使其可以用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等很多领域。

1.4形状记忆合金

形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的智能材料。形状记忆合金的形状被改变后，在一定条件下能激发其形状记忆效应，这一过程中，材料产生高于700兆帕的回复应力及8%左右的回复应变，同时具有较强的能量传输储存能力。基于这一特性，形状记忆合金在土木工程中最大的用处是用于各种结构中来实现结构的自我诊断、增加材料的韧性和强度等、增强材料的适应控制。形状记忆合金还可以被研制成智能驱动器，用于对结构变形、裂缝和振动方面的控制。形状记忆合金具有较高相变回复力，结合该特性能够研制开展形状记忆合金被动耗能控制系统，该系统可实现相变伪弹性性能，可在土木工程结构中用于耗能抗震的被动控制。目前的土木工程实践中，通常在结构层间或底部等受地震作用较大的位置安置形状记忆合金被动耗能控制系统，用于实现耗能系统对结构的层间变形的感知，进而起到消耗地震能量的作用。

2智能材料的优点局限性

土木工程中应用的智能材料具有反馈信息、自我诊断、自我修复、自适应能能力，实践也表明，智能材料在实际土木工程中的应用使得工程结构具有高强度和耐久性等特点，同时能智能化地执行指令，能较好的适应外部环境的变化。但上述的光纤、形状记忆合金、压电和压磁等材料，本质上属于高智能复合材料，其最大的局限性在于使用成本很高，造价太贵。这一缺点，使得目前对于智能材料的应用智能局限于档次较高、标准较高的建筑工程，智能材料在普通民居建筑中的应用还遥遥无期。另外，智能材料的应用需要相应的技术和配套材料设备的配合支撑，在施工中对于施工技术和工艺的要求较高。因此，但就目前看，对智能材料的应用还不可能实现全方位的广泛普及，但是，智能材料可能是未来土木工程材料的研究和发展方向。

3结束语

综上所述，智能材料在土木工程中的应用弥补了传统建筑结构适应环境能力弱的缺点，将建筑结构需要人为检测转向建筑结构带自我检测、调整和适应功能。目前智能材料的应用还局限在少部分高要求和高标准的建筑项目，科学界对于智能材料以及相关技术和配套设备的研究，是未来智能材料能广泛应用与土木工程结构的前提和基础。

参考文献

1、土木工程专业实践性教学环节改革的思考胡秀兰;祝明桥;刘锡军;程火焰;高等建筑教育2006-03-2556

形状记忆合金研究的进展，和三维实验有着哪些关系？

形状记忆合金以其卓越的特性而闻名——超弹性、形状记忆和驱动能使它们被揉成一团，然后弹回“记忆”的原始形状。但这种先进材料在商业应用中仍未得到充分利用，其用途可能包括改变飞机结构的形状，以提高飞行效率，或在太空中部署通信天线和太阳能电池板。科罗拉多矿业学院的研究人员正在努力更好地了解它们复杂内部微观结构在形状记忆行为中是如何变化，他们的第一个此类实验结果最近发表在三大材料科学和力学期刊上：《晶体学报》、《固体力学和物理学报》和《材料快报》。形状记忆合金(SMAs)是在70多年前被发现，其前景已经在美国获得了超过1万项专利，在世界范围内获得了2万项专利。

科学科普：这三篇论文的第一作者，现在是明尼苏达大学(University of Minnesota)的一名博士后研究员Ashley Bucsek博士说：然而这并没有与其技术影响力相匹配——在这2万项SMA专利中，只有有限数量的专利作为商业上可行的产品得以实现，其他许多先进材料的情况也类似，从开发到实施需要数十年的时间。开发和实现之间存在这种差距的一个原因是，研究人员实际上只是在用传统的显微镜技术抓挠表面，而SMAs中的大多数微观机制都是三维的、平面外的，并且对内部约束非常敏感。为了弥补这一差距，Bucsek和同事们将镍钛（最广泛使用和可用的sma）置于当今最强大的3d显微镜下，这些显微镜位于纽约州北部康奈尔大学的康奈尔高能同步加速器源(CHESS)。

具体来说，使用了近场和远场高能衍射显微镜(HEDM)，这是在三维x射线衍射技术的保护伞下，使她能够在材料内部微观结构三维可视化的同时，它的反应是实时的。尽管HEDM在国际和其他同步加速器领域已经发展了十多年，但应用HEDM来研究具有低对称性相混合物和大晶体尺寸差异等特征的高级材料过程基本上是不存在的。因此，这三个实验都需要开发新的实验、数据分析和数据可视化技术来提取所需的信息。许多结果令人惊讶，揭示了几十年来SMA微观力学争论的领域。在SMAs中，通常是高对称性的“奥氏体”相在较高的温度下是稳定的，但如果施加足够的应力或温度降低，它将相变为低对称性的“马氏体”相。

第一篇论文“利用远场高能衍射显微镜测量应力诱导的马氏体微观结构”，发表在《晶体学报A辑:基础与进展》上，旨在预测马氏体的具体变化。使用这种方法，发现SMAs内部的马氏体微观结构严重违反了最大变形工作标准的预测，这表明，对于SMAs可能具有工程级微观结构特征和缺陷的情况，需要修改被广泛接受的最大变形工作标准的应用。第二个实验研究的是载荷诱导的孪晶重排，或称马氏体重定向，这是一种可逆的变形机制，通过这种机制，材料可以承受较大的载荷和变形，而不会受到晶体孪晶重排的损伤。在宏观变形带中，当它们通过微观结构传播时，会发生一系列特定的孪晶重排微观机制。

研究表明，在这些带内的应变定位导致晶格弯曲高达15度，这对弹性应变、解析剪切应力和最大限度地实现孪晶重排具有重要意义。这些发现将指导未来的研究人员在新的多铁技术中使用孪晶重排。固态驱动是SMAs最重要的应用之一，在许多纳米机电和微机电系统、生物医学、主动阻尼和航空航天驱动系统中都有应用。最终实验的目标是SMAs作用下奥氏体晶粒内部出现特殊的大角度晶界现象。在驱动过程中，在恒定负载下，通过加热、冷却、再加热SMA，诱导SMA由奥氏体向马氏体再向奥氏体的相变。用电子显微镜观察到，奥氏体在试样再加热时会发生大的旋转，这对输出功和疲劳都是不利的。

但是，由于电子显微镜所需要的样本尺寸较小，这些旋转被观察到非常不一致，出现在相同的负载条件下，但随后不出现，或出现在几个周期后，但在几千个周期后不出现，研究结果显示，在中等条件下，这些谷物的旋转只需要一个周期就可以发生。但是由于旋转的低体积和非均匀分散，需要一个体积来观察它们。巴克塞克的研究经费来自美国国家科学基金会(NSF)研究生研究奖学金，以及她的博士导师和合著者、矿山机械工程罗林森副教授亚伦·斯泰布纳(Aaron Stebner) 2015年的NSF职业奖。使用高性能计算机分析数据所需的额外资金来自NSF XSEDE项目。巴克塞克博士在这些文章中记录的论文工作表明，使用3d技术研究材料的3d结构非常重要。

她能够观察和理解50多年来一直被假设和争论的机制，这是第一次。和大多数技术一样，采用新材料的最大障碍是对未知的恐惧。这种了解无疑将导致这些神奇材料得到更广泛的接受和应用，因为它提高了我们对发展证明和合格材料信心。美国国家科学基金会还提供了用于x射线显微镜测量的康奈尔高能同步加速器源的操作。科学家达伦·帕甘(Darren Pagan)说：在她的论文工作中，巴克塞克博士开发了新的、创造性的方法，将HEDM方法应用于形状记忆合金系统的研究，克服数据处理和解释相关挑战的能力，使人们对形状记忆合金变形的微观力学有了新见解！

王社良的学术研究

科研项目 序号 项目名称 项目来源 起讫时间 经费（万元） 备注 1 磁-力耦合式检测系统的基本理论和工程应用技术研究 国家自然科学基金（50278077） 2004-2007 25 主持 2 基于磁特性的钢结构无损检测理论与应用方法研究 教育部博士点基金（20050703004） 2006-2008 7 主持 3 磁-力耦合感应式应力检测系统的理论与应用研究 陕西省自然科学基金（2004E230） 2005-2007 2 主持 主要的获奖项目 序号 获奖项目 获奖名称、等级 署名次序 1 基于形状记忆合金的土木工程结构振动控制理论研究 陕西省科技进步二等奖 1 2 基于形状记忆合金的土木工程结构振动控制理论研究 陕西省教育厅科技进步一等奖 1 3 形状记忆合金在结构控制中的应用 陕西科学技术出版社 独著 引发表的主要论文 论文名称 作者排序 发表日期 发表刊物、会议名称 Theory and application research on the magnetic non-destructive testing of a safety state for a defect sensitive structure 1 2006.10（EI、ISTP） Pro. of progress in safety science and technology 含形状记忆合金自复位阻尼器隔震结构的地震反应分析 1 2006.10（EI） 建筑结构学报 FEA of shear wall with frame column at the longitudinal direction of the main factory building of a large-scale plant 1 2006.10（EI） 建筑结构学报 Experimental study on the seismic behavior for the energy- dissipation braced structures with the lead extrusion dampers 1 2006.10（EI） 建筑结构学报 铁磁材料相对磁导率变化与应力关系的磁力学模型 1 2005.09（EI） 西安科技大学学报 Study on seismic behavior for the energy- dissipation braced frame structures with lead extrusion dampers 1 2004.11（EI、ISTP） JSSI 10th Anniversary Symposium The research on the seismic behavior for the energy-dissipation braced frame structures with the lead extrusion dampers 1 2004.10（ISTP） Proc. of Third C-J-US Symposium on SHM The seismic response analysis of isolation structure with shape memory alloy re-centring dampers 1 2004.10（ISTP） Proc. of Third C-J-US Symposium on SHM Research on damp capacity of passive isolation device based on shape memory alloy re-centring dampers 1 2004.08（ISTP） the ISSEYE-8 The research on the initial permeability and stress of ferromagnetic materials 1 2004.08（ISTP） the ISSEYE-8

《自然》（20220210出版）一周论文导读

编译 | 未玖

Nature, 10 February 2022, VOL 602, ISSUE 7896

《自然》 2022年2月10日，第602卷，7896期

天文学 Astronomy

A white dwarf accreting planetary material determined from X-ray observations

X射线观测到白矮星吸积行星物质

作者：Tim Cunningham, Peter J. Wheatley, Pier-Emmanuel Tremblay, Boris T. Gänsicke, George W. King, Odette Toloza, et al.

链接：

摘要

大多数白矮星的大气受到重元素的污染，这些重元素预计会在短时间内从可见层下沉。这被解释为白矮星不断吸积小行星、彗星和巨行星碎片的标志。探测一些白矮星周围的碎片盘和行星碎片凌星现象支持了这一设想。

然而，光球金属只是持续吸积的间接证据，推断的吸积率和母体成分在很大程度上取决于白矮星大气中扩散和混合过程的模型。

研究组报道了被污染白矮星G29–38的X射线4.4σ探测。根据测得的X射线光度，他们推导出瞬时吸积率MX=1.63 109 g s 1，且独立于恒星大气模型。该比率高于过去对G29–38光球丰度研究所作的估计，表明可能需要对流过冲来模拟白矮星碎片聚集的光谱。

研究组测量出kBT= 0.5   0.2 keV的低等离子体温度，证实了此前预测的白矮星以低吸积率吸积的爆炸方式。

Abstract

The atmospheres of a large proportion of white dwarf stars are polluted by heavy elements that are expected to sink out of visible layers on short timescales. This has been interpreted as a signature of ongoing accretion of debris from asteroids, comets and giant planets. This scenario is supported by the detection of debris discs and transits of planetary fragments around some white dwarfs. However, photospheric metals are only indirect evidence for ongoing accretion, and the inferred accretion rates and parent body compositions heavily depend on models of diffusion and mixing processes within the white dwarf atmosphere. Here we report a 4.4σ detection of X-rays from a polluted white dwarf, G29–38. From the measured X-ray luminosity, we derive an instantaneous accretion rate of MX=1.63 109 g s 1, which is independent of stellar atmosphere models. This rate is higher than estimates from past studies of the photospheric abundances of G29–38, suggesting that convective overshoot may be needed to model the spectra of debris-accreting white dwarfs. We measure a low plasma temperature of kBT = 0.5   0.2 keV, corroborating the predicted bombardment solution for white dwarfs accreting at low accretion rates.

物理学 Physics

Real-space visualization of intrinsic magnetic fields of an antiferromagnet

反铁磁体内禀磁场的实空间可视化

作者：Yuji Kohno, Takehito Seki, Scott D. Findlay, Yuichi Ikuhara & Naoya Shibata

链接：

摘要

原子尺度的磁性结构表征，是材料和器件中纳米磁性设计与调控的核心。然而，在该维度上，磁场的实空间可视化一直颇具挑战性。近年来，原子分辨率差分相衬扫描透射电子显微镜（DPC STEM）已能够直接成像单个原子内部的电场分布。

研究组展示了在无磁场环境中使用原子分辨率DPC STEM实现反铁磁赤铁矿（α-Fe2O3）内部磁场分布的实空间可视化。

在去除原子电场引起的相移分量并通过单元平均法提高信噪比后，研究组实现了α-Fe2O3内禀磁场的实空间可视化。这些研究结果为许多磁性结构的实空间表征提供了新途径。

Abstract

Characterizing magnetic structures down to atomic dimensions is central to the design and control of nanoscale magnetism in materials and devices. However, real-space visualization of magnetic fields at such dimensions has been extremely challenging. In recent years, atomic-resolution differential phase contrast scanning transmission electron microscopy (DPC STEM) has enabled direct imaging of electric field distribution even inside single atoms. Here we show real-space visualization of magnetic field distribution inside antiferromagnetic haematite (α-Fe2O3) using atomic-resolution DPC STEM in a magnetic-field-free environment. After removing the phase-shift component due to atomic electric fields and improving the signal-to-noise ratio by unit-cell averaging, real-space visualization of the intrinsic magnetic fields in α-Fe2O3 is realized. These results open a new possibility for real-space characterization of many magnetic structures.

Ferroelectric incommensurate spin crystals

铁电不相称自旋晶体

作者：Dorin Rusu, Jonathan J. P. Peters, Thomas P. A. Hase, James A. Gott, Gareth A. A. Nisbet, Jörg Strempfer, et al.

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摘要

铁性材料，尤其是铁磁体，在特定的电和力学边界条件下，可形成复杂的拓扑自旋结构，如漩涡和斯格明子。

在专用铁电系统中，尤其是在PbTiO3/SrTiO3等铁电-绝缘体超晶格中，人们已观察到简单的涡状电偶极子拓扑结构，但后来由于其高去极化场，被证明是一个模型系统。迄今为止，还没有实验观察到由Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMi）驱动的有序磁自旋晶格的等效电偶极。

研究组探讨了夹在SrRuO3电极间的单一PbTiO3外延层的畴结构。他们观察到周期性的顺时针和逆时针铁电旋涡，沿其环形核心受到二阶调制。计算结果支持的拓扑结构是具有两个正交周期调制的迷宫状图案，形成了一个不相称的极性晶体，其铁电性类似于最近在铁磁材料中发现的不相称自旋晶体。

这些发现进一步模糊了突现铁磁和铁电拓扑之间的边界，为未来磁DMi驱动相的电对应物的实验实现扫清了道路。

Abstract

Ferroics, especially ferromagnets, can form complex topological spin structures such as vortices and skyrmions when subjected to particular electrical and mechanical boundary conditions. Simple vortex-like, electric-dipole-based topological structures have been observed in dedicated ferroelectric systems, especially ferroelectric–insulator superlattices such as PbTiO3/SrTiO3, which was later shown to be a model system owing to its high depolarizing field. To date, the electric dipole equivalent of ordered magnetic spin lattices driven by the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMi) has not been experimentally observed. Here we examine a domain structure in a single PbTiO3 epitaxial layer sandwiched between SrRuO3 electrodes. We observe periodic clockwise and anticlockwise ferroelectric vortices that are modulated by a second ordering along their toroidal core. The resulting topology, supported by calculations, is a labyrinth-like pattern with two orthogonal periodic modulations that form an incommensurate polar crystal that provides a ferroelectric analogue to the recently discovered incommensurate spin crystals in ferromagnetic materials. These findings further blur the border between emergent ferromagnetic and ferroelectric topologies, clearing the way for experimental realization of further electric counterparts of magnetic DMi-driven phases.

材料科学 Materials Science

A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy

一种高度变形超弹性化学复杂的艾林瓦合金

作者：Q. F. He, J. G. Wang, H. A. Chen, Z. Y. Ding, Z. Q. Zhou, L. H. Xiong, et al.

链接：

摘要

高性能超弹性金属的研发具有超高强度、大弹性应变极限和温度不敏感的弹性模量（艾林瓦效应），对于从致动器、医疗设备到高精度仪器的各种工业应用都至关重要。由于位错易滑动，体晶金属的弹性应变极限通常小于1%。

形状记忆合金（包括胶质金属和应变玻璃合金）的弹性应变极限可高达几个百分点，虽然这是伪弹性的结果，且伴随着巨大的能量耗散。近年来，化学性质复杂的合金，如“高熵”合金，因其良好性能引发了人们广泛的研究兴趣。

在这项工作中，研究组报道了一种化学复杂的合金，其原子尺寸错配较大，常规合金通常无法承受。该合金在室温下具有较高的弹性应变极限（约2%）和极低的内耗（小于2    10 4 ）。

更有趣的是，这种合金表现出非凡的艾林瓦效应，在室温和627 （900K）之间的弹性模量近乎恒定，迄今为止报道的现有合金均无法与之比拟。

Abstract

The development of high-performance ultraelastic metals with superb strength, a large elastic strain limit and temperature-insensitive elastic modulus (Elinvar effect) are important for various industrial applications, from actuators and medical devices to high-precision instruments. The elastic strain limit of bulk crystalline metals is usually less than 1 per cent, owing to dislocation easy gliding. Shape memory alloys—including gum metals and strain glass alloys—may attain an elastic strain limit up to several per cent, although this is the result of pseudo-elasticity and is accompanied by large energy dissipation. Recently, chemically complex alloys, such as ‘high-entropy’ alloys, have attracted tremendous research interest owing to their promising properties. In this work we report on a chemically complex alloy with a large atomic size misfit usually unaffordable in conventional alloys. The alloy exhibits a high elastic strain limit (approximately 2 per cent) and a very low internal friction (less than 2    10 4 ) at room temperature. More interestingly, this alloy exhibits an extraordinary Elinvar effect, maintaining near-constant elastic modulus between room temperature and 627 degrees Celsius (900 kelvin), which is, to our knowledge, unmatched by the existing alloys hitherto reported.

人工智能 Artificial Intelligence

Outracing champion Gran Turismo drivers with deep reinforcement learning

通过深度强化学习超越Gran Turismo冠军级赛车手

作者：Peter R. Wurman, Samuel Barrett, Kenta Kawamoto, James MacGlashan, Kaushik Subramanian, Thomas J. Walsh, et al.

链接：

摘要

人工智能的许多潜在应用涉及与人类交互时在物理系统中做出实时决策。赛车就是这种情况的一个典型代表；赛车手必须执行复杂的战术性操作以超越或阻挡对手，同时在牵引力极限下驾驶赛车。

赛车模拟，比如PlayStation 游戏 Gran Turismo，忠实地再现了真实赛车的非线性控制挑战，同时也封装了复杂的多代理交互。

研究组介绍了他们如何训练Gran Turismo的AI代理，使其能够与世界上最优秀的电子竞技赛车手相匹敌。他们将最先进的、无模型的深度强化学习算法与混合场景训练相结合，来学习一种综合控制策略，将卓越的速度与令人印象深刻的战术相结合。

此外，研究组还构建了一个奖励函数，使AI代理能够在遵守重要但灵活的赛车规则的同时保持竞争力。最终研究组的AI代理Gran Turismo Sophy崭露头角，在正面竞争中战胜了四名世界顶级Gran Turismo赛车手。

通过描述如何训练冠军级别的赛车手，研究组展示了使用这些技术来控制复杂动态系统的机遇和挑战，在这些领域中，AI代理必须尊重灵活定义的人类规则。

Abstract

Many potential applications of artificial intelligence involve making real-time decisions in physical systems while interacting with humans. Automobile racing represents an extreme example of these conditions; drivers must execute complex tactical manoeuvres to pass or block opponents while operating their vehicles at their traction limits. Racing simulations, such as the PlayStation game Gran Turismo, faithfully reproduce the non-linear control challenges of real race cars while also encapsulating the complex multi-agent interactions. Here we describe how we trained agents for Gran Turismo that can compete with the world’s best e-sports drivers. We combine state-of-the-art, model-free, deep reinforcement learning algorithms with mixed-scenario training to learn an integrated control policy that combines exceptional speed with impressive tactics. In addition, we construct a reward function that enables the agent to be competitive while adhering to racing’s important, but under-specified, sportsmanship rules. We demonstrate the capabilities of our agent, Gran Turismo Sophy, by winning a head-to-head competition against four of the world’s best Gran Turismo drivers. By describing how we trained championship-level racers, we demonstrate the possibilities and challenges of using these techniques to control complex dynamical systems in domains where agents must respect imprecisely defined human norms.

地球科学 Earth Science

Superionic iron alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core

超离子铁合金及其在地球内核中的地震速度

作者：Yu He, Shichuan Sun, Duck Young Kim, Bo Gyu Jang, Heping Li & Ho-kwang Mao

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摘要

地球内核（IC）的密度低于纯铁，这表明其内部存在轻元素。硅、硫、碳、氧和氢被认为是候选元素，人们研究了铁-轻元素合金的性能以约束IC成分。轻元素对铁合金的地震速度、熔化温度和热导率有很大影响。然而，人们很少考虑IC中轻元素的状态。

研究组利用第一性原理分子动力学模拟，发现在IC条件下，六方密排铁中的氢、氧和碳转变为超离子态，表现出像流体一样的高扩散系数。这表明IC可以处于超离子态，而非正常固态。

流体轻元素导致地震速度大幅降低，接近IC的地震学观测值。横波波速的大幅降低为软IC提供了一种解释。此外，轻元素对流对IC地震学结构和磁场也有潜在影响。

Abstract

Earth’s inner core (IC) is less dense than pure iron, indicating the existence of light elements within it. Silicon, sulfur, carbon, oxygen and hydrogen have been suggested to be the candidates, and the properties of iron–light-element alloys have been studied to constrain the IC composition. Light elements have a substantial influence on the seismic velocities, the melting temperatures and the thermal conductivities of iron alloys. However, the state of the light elements in the IC is rarely considered. Here, using ab initio molecular dynamics simulations, we find that hydrogen, oxygen and carbon in hexagonal close-packed iron transform to a superionic state under the IC conditions, showing high diffusion coefficients like a liquid. This suggests that the IC can be in a superionic state rather than a normal solid state. The liquid-like light elements lead to a substantial reduction in the seismic velocities, which approach the seismological observations of the IC. The substantial decrease in shear-wave velocity provides an explanation for the soft IC. In addition, the light-element convection has a potential influence on the IC seismological structure and magnetic field.