西南交通大學材料科學與工程學院張英波研究團隊在《Nature》子刊上發表鋁合金相關系列研究成果
Al-Zn-Mg-Cu (7xxx系列)合金已廣泛應用於航空航天工業，並由於其優越的物理力學性能和可製造性在鐵路運輸中顯示出越來越可觀的潛力。近幾十年來，一些新興的工程材料(如鎂合金、鈦合金和複合材料)取得了迅速的發展，在許多領域對7xxx合金構成了挑戰。因此，7xxx合金要想在其主導領域保持競爭力，並在新的領域獲得更多機會，就需要進一步的性能提升。
機械強度是結構材料的基本考慮因素。商用7xxx合金的極限抗拉強度(UTS)通常低於700MPa。人們對改進7xxx合金的UTS的興趣從未停止過。一些複雜的技術：嚴重的塑性變形(SPD)、快速凝固和粉末冶金(RS/PM)、噴淋成形和多級熱處理使7xxx合金的抗拉強度達到極高的水平，超過750 MPa，超細晶7475合金和納米晶7075合金經過高壓扭轉(HPT，一種SPD處理)的UTSs超過900 MPa。然而，這些技術目前由於無法生產大尺寸產品、操作複雜、成本高或對設備要求高而受到限制，限制了其廣泛的工業應用。以工業化為目標開發高強度7xxx合金，優化合金成分是可行的策略。
基於此，我校材料科學與工程學院張英波團隊提出了一種改進的基於克裡格模型的高效全局優化(EGO)算法，並將其應用於7xxx合金的成分優化。研製了鋅含量小於7wt .%的950MPa級7xxx合金，與此同時發現在變形的7xxx - T6合金中出現了異常的Al8Cu4Y納米網絡結構，這可能對未來高強度鋁合金的合金設計有幫助。本研究證明了利用機器學習尋找具有良好力學性能的7xxx合金的可行性。基於優化合金的改良合金將成為高速列車關鍵部件批量生產的候選材料。相關研究成果以題「Accelerated discovery of high-strength aluminum alloys by machine learning」發表在communications materials上。
首先，團隊準備一個訓練數據集，用於後續的模型評估和構建。它包含一些具有已知UTS的精選Al–Zn–Mg–Cu–（Ti）–（Y）–（Ce）合金。然後，通過「留一法交叉驗證」評估或驗證機器學習模型-將原始數據集中的一個觀察值視為一個測試點，並根據剩餘的觀察值進行預測-確定其可行性。如果機器學習模型有效，則將引入迭代過程（所謂的「自適應設計循環」）。最後通過一系列傳統加工技術製備了優化合金的擠壓棒，並對擠壓進行了系統地表徵。
經過近一個世紀的發展，對7xxx合金的機械性能提出了更高的要求。傳統上，這些合金是通過反覆試驗篩選各種成分和熱處理來開發的。如今，它們被設計為具有更高的含量和更多種類的合金元素，以改善機械性能。本文發現基於傳統加工技術的稀土7xxx合金可以實現非常高的拉伸強度。此外證明了使用機器學習來加速7xxx合金的發現的可行性以及Y元素的潛在強化作用。特別是，張英波團隊展示了不尋常的Al8Cu4Y納米網絡結構，對高強度鋁合金的合金設計具有重要的價值。
材料科學與工程學院研究團隊在燃燒領域國際頂級期刊Proceedings of the Combustion Institute和Combustion and Flame上發表系列研究成果
近日，我校材料科學與工程學院研究團隊甯紅波課題組在燃燒領域國際頂級期刊Proceedings of the Combustion Institute上同期發表了2篇學術論文，在Combustion and Flame上發表1篇學術簡訊論文。這是Proceedings of the Combustion Institute首次刊發以我校為第一完成單位的論文，同時也是Combustion and Flame首次刊發以我校為第一完成單位的學術簡訊論文。
通過對火箭推進劑燃料二甲胺的低溫燃燒反應機理的理論研究，我們建立了明顯不同於傳統的碳氫燃料低溫燃燒反應網絡（圖1），可為系統確立含氮燃料的低溫燃燒反應網絡提供指導和借鑑。相關成果以「Insight into the low-temperature oxidation of dimethylamine radicals」為題發表在Proceedings of the Combustion Institute上。博士研究生尚豔磊為論文的第一作者，甯紅波助理研究員、史進春副研究員為共同通訊作者。
▲二甲胺自由基的低溫燃燒反應網絡勢能面
團隊與香港中文大學任偉教授合作，建立了用於激波管含氮燃料研究的中紅外雷射吸收光譜在線測量系統（圖2）。從而實現了從理論計算、機理構建與激波管實驗驗證的相互支持的自主研究模式。相關成果以「Shock tube measurement of NO time-histories in nitromethane pyrolysis using a quantum cascade laser at 5.26 μm」為題同期發表在Proceedings of the Combustion Institute上。博士研究生尚豔磊和王震博士為論文的共同第一作者，甯紅波助理研究員、任偉教授為共同通訊作者。
▲激波管中紅外雷射吸收光譜在線測量系統
此外，點火延遲時間是燃料燃燒特性評價的重要指標之一，直接反映了燃料燃燒反應鏈誘發和鏈傳遞的動力學特徵，對於驗證和改進燃燒反應動力學模型具有重大意義。通過二元混合燃料硝基甲烷/乙烷的點火特性研究，研究發現乙烷點火特性並非隨著硝基甲烷的摻混比增加而一直加快，反而呈現出一種少有的非線性關係（圖3）。相關成果以「Abnormal promotion effect of nitromethane on ethane ignition」為題發表在Combustion and Flame上。博士研究生尚豔磊為論文的第一作者，甯紅波助理研究員、史進春副研究員為共同通訊作者。
▲硝基甲烷、乙烷及其二元混合物的點火延遲時間
國際燃燒會議是燃燒科學與技術領域規模最大、影響力最強、水平最高的學術會議，一直被譽為燃燒界的「奧林匹克」，由國際燃燒學會每兩年舉辦一次。該會議參會論文採用嚴格的二次同行評審制度，被接收的論文由作者在大會作口頭報告，隨後進行二次評審，錄用論文發表於國際燃燒學會會刊Proceedings of the Combustion Institute上。Proceedings of the Combustion Institute 和Combustion and Flame 是國際燃燒領域公認的頂級期刊，最新的影響因子分別為5.627和4.57，在JCR中位列 Q1。
該系列研究得到了國家重大科研儀器研專項（11627901）、國家自然科學基金面上項目（51776179）和青年基金項目（21903064）等的資助。
材料科學與工程學院熊開琴、楊志祿老師在國際期刊《Bioactive Materials》發表科研論文
近日，材料科學與工程學院材料先進技術教育部重點實驗室熊開琴工程師、楊志祿研究員及成都市第三人民醫院心內科周名綱副主任醫師，以我校為第一通訊單位在生物材料領域排名第二的國際期刊Bioactive Materials (IF: 8.724)上發表題為「Nitric oxide-generating compound and bio-clickable peptide mimic for synergistically tailoring surface anti-thrombogenic and anti-microbial dual-functions」的研究論文。
臨床上，聚氯乙烯材質的導管在藥物輸送和體外循環中得到了廣泛的運用。然而在長期運用中，其導致的細菌感染與凝血等症狀，對患者造成了諸多負擔。然而，目前的治療手段，如使用抗生素與抗凝藥物，會導致滋生耐藥菌，誘導出血等併發症。因此，對導管進行內表面功能化設計，博得了許多科研人員的青睞。但是，目前常用的功能設計，更多的依然局限於藥物包載，或是被動抗黏附等功能，並沒有有效解決細菌滋生以及長程的功能實現。相比較聚氯乙烯材料，正常人體內血管內膜微環境中存在著豐富的抗菌多肽，可以有效清除微生物，進而防止細菌黏附形成生物膜和感染；同時，內膜中的內皮細胞會分泌多種信號分子，保持正常的血液流動。因此，人體正常血管具有一定的抗凝血與抗菌的功能，這也為設計導管的功能表面提供了思路。
近日，西南交通大學熊開琴工程師與楊志祿研究員聯合成都市第三人民醫院心內科周名綱副主任醫師，從血管內膜及其微環境仿生設計出發，通過點擊化學的方法，構建了一個具有雙功能仿生的塗層，用於醫用導管內表面的改性，以期解決醫用導管在臨床運用中導致的凝血與細菌感染等問題 (圖1)。在這項設計中，為了充分提供功能分子的接枝位點，預先在導管表面製備富氨基塗層(PADA)，之後，將催化NO生成的Cu2+螯合DOTA和內膜微環境中重要的抗菌分子——抗菌多肽(ABP)通過醯胺縮合與點擊化學接枝兩種方式分別固定在PPAm塗層上。具體地說，首先富含大量氨基的聚烯丙胺(PAa)分子以席夫鹼反應和麥可加成方式接枝在聚多巴胺塗層表面，從而製備富氨基塗層(PADA)。利用大環多胺(DOTA)對CuII高度螯合作用，製備出CuII-DOTA 配合物，然後通過醯胺縮合反應將CuII-DOTA配合物和Azide(15-疊氮基-4,7,10,13-四氧十五烷酸，其水解後含有羧基和疊氮基團的分子)接枝到在富氨基塗層上，最後通過點擊化學反應接枝抗菌多肽。相比較醯胺縮合反應固定，點擊化學策略通過「鑰匙-鎖」的專一結合方式進行分子間的鍵合，實現了高選擇性、近乎完美的可靠性和高收率的特點，並且有效避免了功能分子在接枝時發生失活和設計失敗。
▲血管內膜微環境仿生雙功能塗層的分子結構及其應用於聚氯乙烯導管的表面改性。
為了可以形象介紹血管內膜微環境仿生雙功能塗層表面功能化策略的設計，作者概念性展示了構建方法(圖1)。同時，作者對該塗層在抗菌抗凝血中的優勢進行表徵證明的過程中，驗證了其具有穩定的NO釋放速率，出色的生物相容性、抗菌性能和抗凝血性能。此外，半體內循環研究進一步顯示，該塗層改性後表面較臨床常用的PVC導管展示了其優秀的臨床應用潛力。這項研究最直接的意義是為臨床常用的PVC導管表面進行多功能仿生設計提供了新的設計思路和方向；從應用的價值來看，該項工作不僅分別實現了兩個分子的各自功能，而且對於抗炎多肽使用了點擊化學的接枝方法，保證了抗炎多肽的功能區域完整。此外，以往雙分子進行接枝中，由於存在競爭位點，而位點不足時，接枝比例會無法精確控制；而該設計則通過將DOTA與Azide比例進行調整，間接實現了接枝量可控。本研究的積極成果不僅為多個功能分子表面修飾提供了新的解決方案，而且也為體外循環導管表面仿生設計提供了新的思路，巨大的潛在臨床潛力。
相關研究成果以「Nitric oxide-generating compound and bio-clickable peptide mimic for synergistically tailoring surface anti-thrombogenic and anti-microbial dual-functions」為題發表在國際著名期刊《Bioactive Materials》上，我校2018級碩士研究生於涵為該論文第一作者，我校熊開琴工程師，楊志祿研究員和成都市第三人民醫院心內科周名綱副主任醫師同為該論文的通訊作者；西南交通大學材料先進技術教育部重點實驗室/材料科學與工程學院為論文的第一通訊單位。該研究工作的發表得到了國家重點研發計劃及國家自然科學基金等項目的資助。
來源：西南交通大學 內容來源：材料科學與工程學院本期編輯：交大新媒體中心 劉宇坤頭圖尾籤設計：姜日琪 蔣碩勻