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       对称和拓扑是许多物质的量子态的两个基本方面。最近新拓扑材料、高阶拓扑绝缘体,被发现，并有着超越传统的拓扑模式。在这里,我们发现非同构的实验p4g声学超晶体有着对称性保护的多极拓扑的层次结构，最低的带隙有quantized Wannier偶极子，可以模拟量子自旋霍尔效应，而第二带隙具有异常Wannier带。这种拓扑层次结构允许在实验中观察实多路复用拓扑现象和揭示拓扑转型引发的几何过渡，展示了优雅的基本对称和拓扑结构之间的相互作用。我们的研究表明，经典的可控几何可以作为强大的模拟器系统的发现新颖的拓扑物态和相变。

图.对称性保护的异常层次拓扑多极非同构声子晶体

通过多孔金属网在二维半导体中实现远程量子释放(Nat. Commun. 2020, 11, 5.)

这里我们报告二维晶体覆盖物如何影响相对较厚的金属的再结晶薄膜和后续的与表面等离激元共振耦合实现在二维半导体中的光子发射。我们表明，在硅表面的退火二维金膜呈现出一种反向外延过程。最初，纳米晶金膜获得纹理，在2D晶体覆盖层上进行晶体取向，并形成定向多孔金属网络结构。能量输入输出耦合在金属孔处发生。

图. 二维晶体金薄膜的制备和表征

        JAN 08多晶电池材料中电荷分布在颗粒晶体取向的引导(Nat. Commun. 2020, 11, 83.)架构粒晶体取向可以调节多晶电池材料的电荷分布和提高化学机械属性能。然而，探索电荷分布之间的相互作用，颗粒晶体取向和性能仍然是一项艰巨的挑战。这里，我们阐明了空间电荷分布解决层状锂氧化物具有不同颗粒晶体取向和建立一个理论模型来量化他们的电荷分布。虽然整体“表面到本体”电荷分布在多晶颗粒中占主导地位，晶体学指导的氧化还原反应控制着局部带电纳米域中的电荷分布。与随机取向的晶粒相比，径向排列的晶粒在电池循环时表现出较低的电池极化和较高的容量保持率。径向排列的晶粒产生较少曲折的锂离子通道，从而提高了电荷的均匀性，如从多晶颗粒中超过2000万个纳米域进行统计量化的结果。这项研究使人们对多晶电池材料的电荷分布和化学机械性能有了更好的了解。

文章中用COMSOL模拟了颗粒中的锂离子扩散和其引起的力学应变。

图. 结构中的形态、晶体结构和电荷分布

       JAN 10模拟人类血脑屏障的平台了解纳米粒子传输机制(Nat. Commun. 2020, 11, 175.)神经疾病药物开发中的挑战仍然主要归因于血脑屏障。尽管动物模型对药物发现有重要贡献，但仍然难以在分子和细胞水平上对屏障功能以及与药物的相互作用进行机理研究。在这里，我们介绍了一个微生理平台，概括了人类血脑屏障的关键结构和功能，并实现了在血管和血管周围区域的纳米颗粒分布的3D映射。我们将展示了用微流芯片模仿血脑屏障结构和功能的细胞相互作用。此外,我们的模型精确地捕捉三维纳米颗粒分布在细胞水平和展示了不同的细胞吸收和血脑屏障渗透通过受体介导。我们的人类血脑平台可能会提供一种动物模型的补充体外模型，以预先筛选用于治疗神经系统疾病的候选药物。文章中使用了COMSOL模拟了微流体通道中的血清扩散。

图. 人类血脑屏障模型

        JAN 10有机电致变色中的机械呼吸(Nat. Commun. 2020, 11, 211.)重复的改变电极大小的循环，称为机械呼吸，是一个至关重要的问题限制了有机电致变色的设备的质量和寿命。机械变形源于电子传递和氧化还原活性物质离子夹层。电荷状态的动态诱导宿主的组织与性能的急剧变化，并最终导致结构解体。我们量化呼吸应变和力学性能的演变。氧化后，这部分薄膜扩大近30%，弹性模量和硬度降低两倍。我们用COMSOL进行理论建模来理解薄膜分层的铟锡氧化物(ITO)电流收集器在循环荷载中的过程。研究表明增强界面的粗糙度或者在ITO表面上涂上一层纳米可以大大提高了循环性能。

图. 器件工作示意图和剪切应力仿造模拟

       JAN 13编程磁场操纵细胞形成空间编码的体系结构(Nat. Commun. 2020, 11, 232.)在自然界中,细胞自组装成空间编码组织来作为一个集体去执行高阶的生物功能。这种机制刺激了最近的趋势在合成生物学中在利用原始细胞构建组织如组件实体的相关研究。目的是要理解多细胞的进化机制，创建智能材料如生物医学植入物。然而, 从大量的原始细胞实体形成空间编码和交流的微架构，尤其是对脂质基于囊泡系统，仍然是具有挑战性的。这里，我们利用磁场组装大型单膜囊泡或细胞成各种微观结构与空间编码的配置和生化反应。这项工作提供了一个通用的和具有成本效益的策略来构建仿造组织和显示可能的优越性原始细胞植株。文章中利用COMSOL实现了磁场分布的模拟和调控。

图. 在网垂直磁场中组装巨大的单膜囊泡

       JAN 14在等离子体菱形十二面体金纳米粒子中的Cysteine-encoded手性进化 (Nat. Commun. 2020, 11, 263.)手性等离子体纳米结构在光学应用中开辟了前所未有的机遇。我们展现了在纳米粒子聚焦晶体中的手性进化，阐明了手性结构形成的关键参数。从手性形成的详细理解，基于菱形十二面体形状的纳米粒子，我们取得了形态学(432螺旋面IV)的三维控制的手性等离子体。几种合成参数(晶种，半胱氨酸, cetyltrimethylammonium bromide和抗坏血酸)对于手性形成的作用进行了研究。在此基础上理解手性结构的系统控制。调节手性结构因素之间的关系和光学反应是通过COMSOL电磁仿真进一步阐明的。重要的是发现了一个新的光学反应，通过组装手性纳米粒子形成薄膜。手性纳米粒子的综合研究将为进一步发展提供有价值的见解不同手性的等离子体纳米结构与迷人的特性。

图. 扫描电镜的图像和理论计算的电场和磁场强度

JAN 16

轴应变动力设备受到人类的反射(Nat. Commun. 2020, 11, 326.)

仿生学电子正在快速推动人工智能的发展。新兴的人工智能应用程序,例如,自动驾驶仪和机器人技术,越来越促使电力设备发展为新的形式。在这里,我们提出一种轴应变动力装置,可以直接调节输出功率响应外部快速应变速度,灵感来自人类反射。通过使用悬臂结构AlGaN/ AlN/GaN高电子迁移率晶体管，该装置可以控制显著的输出功率调制(2.30–2.72 × 103 W cm−2) 在较弱的机械刺激(0-16 mN)和1 V的门电压下。我们进一步证明这种加速反馈电力控制的应用，证明可以有效地调整输出功率的实时响应加速度的变化。展望未来，该设备将在广泛的人工智能应用中具有重要意义，包括自动驾驶仪、机器人和人机接口。文章用COMSOL模拟了器件的电学输出性能。

图. 轴应变的概念，电力设备启发人类的反射

JAN 27

轴应变动力设备受到人类的反射(Nat. Commun. 2020, 11, 326.)

仿生学电子正在快速推动人工智能的发展。新兴的人工智能应用程序,例如,自动驾驶仪和机器人技术,越来越促使电力设备发展为新的形式。在这里,我们提出一种轴应变动力装置,可以直接调节输出功率响应外部快速应变速度,灵感来自人类反射。通过使用悬臂结构AlGaN/ AlN/GaN高电子迁移率晶体管，该装置可以控制显著的输出功率调制(2.30–2.72 × 103 W cm−2) 在较弱的机械刺激(0-16 mN)和1 V的门电压下。我们进一步证明这种加速反馈电力控制的应用，证明可以有效地调整输出功率的实时响应加速度的变化。展望未来，该设备将在广泛的人工智能应用中具有重要意义，包括自动驾驶仪、机器人和人机接口。文章用COMSOL模拟了器件的电学输出性能。

图. 3D打印制造的仿生三维太阳能蒸发器和其表征

       JAN 28

       底物诱导纳米外延石墨烯的电阻变化(Nat. Commun. 2020, 11, 555.)在不断增长的二维材料家族中，作为第一个真正的二维材料,石墨烯仍揭示了最引人注目的二维材料传输特性。尽管许多研究已经研究基本散射过程,但实验测量的电阻值有非常大的变化, 所以这仍是一个悬而未决的问题。在这里,我们使用扫描隧道电位法定量研究石墨烯的本地运输性质，并利用聚合物辅助升华增长石墨烯。这些样品显示了空间均匀的电流密度,它允许在局部电化学分析变化潜在的精度高测量。我们利用这种可能性，通过检查局部的薄层电阻在低温下找到一个高达270%显著的变化。我们确定了一个石墨烯薄层电阻和6 H碳化硅石墨烯叠层顺序与衬底底物之间的距离之间的相关性。实验结果量化了石墨烯与基底之间交互对局部石墨烯传输性能的影响。文章用COMSOL计算石墨烯中的电流密度。

图. 电流密度和薄层电阻在室温下的评估

      JAN 28

      同步布线的红外天线，用于在室温下进行共振的单量子阱光电检测 (Nat. Commun. 2020, 11, 565.)

      光贴片天线(两层金属层夹着电介质层)被用作深亚波长超表面完美吸收器和热发射器的一个模块。然而，对于这些超表面光电设备的应用，把他们连接到每个电隔离天线是必不可少的。在这里，我们表明，几何设计的金属导线天线可以同步促进相干共振光学,不仅是电导体。天线与最佳折叠电线应用于子间带红外线光电探测器与单个4nm 厚度量子阱,和费极化依赖的外部量子效率高达61% (响应率3.3 W−1在78 K,峰值波长6.7μm), 并且能扩展到室温。同步连接天线的应用不限于光电探测器，预计可作为基本的体系结构的亚波长谐振器作为光电设备的发射器和调节器。

   图. 结构(左)，Ez分布在λ= 6.7μm(中)和(右)吸收光谱的排列光贴片天线以及电磁场仿真

      FEB 06

      利用静电射流偏转功能实现亚微米级特征的超快3D打印 (Nat. Commun. 2020, 11, 753.)基于从喷嘴喷射的材料的逐层沉积的增材制造技术提供了无与伦比的多功能性，但在打印速度和分辨率方面受到限制。电动流体喷射独特地允许产生亚微米级的射流，其速度可达到1µm s-1以上，但此类射流无法通过太慢的机械阶段来精确收集。在这里，我们证明了控制施加到喷嘴周围电极上的电压，其轨迹可以通过横向加速度高达106 m s-2进行连续调节。通过使射流产生静电偏转，可以通过以高达2000 Hz的逐层频率将纳米纤维彼此堆叠来打印具有亚微米特征的3D对象。快速的喷射速度和大的逐层频率转化为面内打印速度高达0.5 m s-1，垂直方向的打印速度高达0.4 mm s-1，比提供等效功能大小的技术快三到四个数量级。

图. 射流轨迹的静电控制和电场仿真

        FEB 21

        基于液态金属的全软高密度电子设备的纳米加工 (Nat. Commun. 2020, 11, 1002.)软材料合成和制造技术的创新导致集成软电子设备的发展。这种软设备提供了与生物细胞相互作用的机会，从而模仿了它们的软环境。但是，现有的制造技术无法创建涉及单细胞的医疗保健和医疗应用所需的亚微米级的软传感器。这项工作提出了一种纳米制造策略，该策略使用电子束光刻和软光刻的混合方法，基于共晶镓铟合金(EGaIn)创建亚微米级的全软电子设备。将混合光刻工艺应用于双相结构，该双相结构包括涂覆有EGaIn的金属粘附层，以创建嵌入弹性体材料中的柔软纳米/微结构。实现了特征尺寸小至180 nm和线距1μm的亚微米级EGaIn薄膜图案化，从而形成了迄今为止最高分辨率的EGaIn图案化技术。产生的柔软可拉伸的EGaIn图案提供了分辨率，电导率和电子/配线密度的目前无与伦比的组合。

图. 基于混合光刻的纳米加工工艺用于亚微米级的EGaIn图案化

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