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IOP出版社每月从年度重点期刊中精选一系列文章供大家阅读，这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 精选文章 Environment Environmental Research Letters Positive effects of projected climate change on post-disturbance forest regrowth rates in northeastern North American boreal forests Victor Danneyrolles, Yan Boucher, Richard Fournier and Osvaldo Valeria   A systems perspective on water markets: barriers, bright spots, and building blocks for the next generation Dustin Garrick, Soumya Balasubramanya, Melissa Beresford,...

本篇研究来自西安交通大学朱益飞、吴云课题组。本文提出将复杂的击穿放电-平衡放热-组分输运点火器过程解耦研究的思路，为火花射流点火器的设计制造提供了数值模型基础。 文章介绍 Multi-physics modeling of a spark plasma jet igniter Xiaochi Ma（马啸驰）, Yifei Zhu（朱益飞）, Yun Wu（吴云）, Xiancong Chen（陈贤聪） and Bingxuan Lin（林冰轩） 通讯作者： 朱益飞，西安交通大学 吴云，西安交通大学   研究背景： 等离子体点火借助等离子体放电而产生的大量热量和高能带电粒子(如电子、离子、激发态粒子和原子或分子的自由基等)以启动燃烧的一种新型点火方式，其点火燃烧过程是一个气体放电、流体动力学和燃烧化学反应共同参与的多物理场耦合过程。为了帮助设计和优化等离子体点火器，建立多物理场耦合的数值模型是其中一项具有挑战性的任务。 研究目的： 本工作旨在建立一个自洽的多物理场数值模型，以描述火花射流等离子体点火器内的放电等离子体和气体流动。借助此模型研究了气体放电发展和加热的特性、初始火核的演化以及输运效应。 研究内容： 对一种火花射流等离子体点火器建立了数值模型，其计算域示意图如图1所示，前期实验装置示意图如图2所示。 图1 火花射流点火器模型的示意图。(a)点火器计算域的三维视图，(b)点火器结构(z轴左侧)和计算域(z轴右侧)的2D视图 图2 实验装置示意图 研究其从放电产生到初始火核形成的过程，并将工作过程分为了三个阶段： (1)放电发展/传播阶段: 此阶段持续时间约为几十个纳秒，描述了点火器放电腔内由高压产生等离子体流注到火花发展，并形成放电通道的过程。此阶段认为是非平衡等离子体。 图3 放电传播阶段的电子密度分布。红色部分代表阴极和阳极，蓝色部分代表电介质壁。(a) t=20ns，(b)t=32ns，(c)t=44ns，(d)t=56ns，单位：m^−3 (2)气体加热阶段: 此阶段为从放电通道形成开始到放电结束之间的气体加热过程，采用局域热力学平衡的假设，描述了放电腔内等离子体的能量沉积以及对气体的加热效应。 图4 气体加热阶段平衡电弧放电中的温度演变。(a)t=2µs，(b)t=6µs，(c)t=10µs，(d)t=14µs，单位：K (3)射流阶段: 此阶段从放电通道形成开始到高温射流从点火器喷出的微秒时间尺度下的物理过程，重点关注气体加热造成的流体动力学效应，即高温的初始火核在放电腔外形成以及组分输运过程，其中气体加热在前一个阶段进行了解耦和预计算。将此阶段的计算结果与前期实验中的ICCD拍摄的火核图像在同一时刻进行了火核位置和大小的对比，如图5所示。 图5 在(a)t=0µs，(b)t=6µs，(c)t=12µs，(d)t=18µs时，比较火核的实验和计算图像。计算的火核由温度分布表示。第一行显示实验拍摄的火核（分别为前视图和俯视图），第二行显示同一时刻的计算结果。蓝色虚线代表点火器的边界，以0µs作为电流信号触发拍摄的时刻。 结论： 对火花射流点火器的等离子体流体多物理过程进行了数值研究。采用PASSKEy(用于非平衡放电阶段)和COMSOL Multiphysics软件(用于电弧和反应射流阶段)模拟空气中火花喷射点火器的放电和流体动力学特性。 重要性： 将复杂的击穿放电-平衡放热-组分输运点火器过程解耦研究，可为点火器的设计、制造和优化提供帮助，为发展多物理场耦合的等离子体点火数值模型提供工作基础。 作者介绍 吴云  教授 西安交通大学 吴云，博士，教授。主要从事航空发动机气动与燃烧、等离子体流动控制与点火助燃研究。...

本篇研究来自兰州大学赵敦课题组。本文应用非标准的Hirota双线性方法，得到了一维的自旋-轨道耦合自旋-1 玻色-爱因斯坦凝聚体系统的一系列精确的单孤子和双孤子解，研究了自旋-轨道耦合效应对系统的孤子动力学，比较了自旋-轨道耦合效应存在和不存在时系统的孤子态的差异。本文的结果为可能的实验提供了理论依据。 文章介绍 Soliton collisions in spin–orbit coupled spin-1 Bose–Einstein condensates Juan-juan Qi（祁娟娟）, Dun Zhao（赵敦） and Wu-Ming Liu（刘伍明） 通讯作者： 赵敦，兰州大学数学与统计学院   研究背景： 孤子态是玻色-爱因斯坦凝聚体中宏观量子效应的典型表现形式，自旋-轨道耦合为玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子态的产生和调控提供了重要的新途径，因此对自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子动力学的研究成为近年来超冷原子领域研究的重要课题之一。本文的目的是利用解析解，在理论上研究自旋-轨道耦合效应对系统孤子碰撞动力学的影响，为相关实验提供参考。   研究内容： 本文应用非标准的Hirota双线性方法，得到了一维的自旋-轨道耦合自旋-1 玻色-爱因斯坦凝聚体系统的一系列精确的单孤子和双孤子解，研究了自旋-轨道耦合效应对系统的孤子动力学，特别是孤子碰撞动力学的影响，详细讨论了极化-铁磁型、铁磁-铁磁型和极化-极化型的孤子碰撞的动力学性质，比较了自旋-轨道耦合效应存在和不存在时系统的孤子态的差异。一个有趣的结果是：自旋轨-道耦合效应可以导致孤子的分裂。由于孤子态及孤子碰撞可以在实验中观测，本文的结果为可能的实验提供了理论依据。 文中图2清楚显示了自旋-轨道耦合效应对系统的孤子碰撞动力学的影响。 期刊介绍 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 2022年影响因子：2.1  Citescore：4 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical（JPhysA）每年出版50期，针对运用数学结构来描述物理世界的基本过程，并探索这些结构的分析、计算和数值方法。期刊内容涵盖：统计物理；非平衡系统、计算方法和现代平衡理论；混沌和复杂系统；数学物理；量子力学和量子信息理论；场论和弦理论；流体和等离子体理论；生物模型等方面。文章类型包括原创性论文和综述，以及关注于热点研究的专题综述和特刊，提供及时、全面的纵览。

特刊详情 客座编辑 蔡闻佳，清华大学 Meghnath Dhimal，尼泊尔健康研究委员会 Ian Hamilton，英国伦敦大学学院 Stella Hartinger，秘鲁卡耶塔诺埃雷迪亚大学 张弛，北京理工大学 张颖，澳大利亚悉尼大学 主题范围 Climate Change is a health crisis and needs to be declared as a public health emergency. The most appealing reason why we should tackle climate change is to protect and improve the health and wellbeing of this generation and the next ones. Despite...

本篇研究来自空军工程大学石磊、王星宇课题组。本篇研究结合低轨卫星轨道运动和云层光学厚度历史数据进行星地量子密钥分发（Satellite-to-ground quantum key distribution，SatQKD）下行链路建模后，本文提出考虑对卫星下行链路执行调度，合理安排低轨量子通信卫星至不同地面站的链路建立窗口时间以高效执行SatQKD。研究结果表明，可通过制定不同链路调度的任务规划满足不同SatQKD应用场景需要，以扩展卫星量子通信网络业务功能。 文章介绍   Exploiting potentialities for space-based quantum communication network: downlink quantum key distribution modelling and scheduling analysis Xingyu Wang（王星宇）, Taoyong Li（李涛泳）, Chen Dong（东晨）, Jiahua Wei（魏家华）, Huicun Yu（于惠存）, Shanghong Zhao（赵尚弘） and Lei Shi（石磊） 通讯作者： 石磊，空军工程大学   研究背景： 作为量子信息技术成熟应用之一，量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）引领着量子信息技术兴起，并为大规模量子网络的建立奠定了基础。“墨子号”量子科学实验卫星升空和国内外多个空间量子通信计划的实施，初步验证了星地量子密钥分发（SatQKD）的可行性，为解决全球化安全通信问题提供了新的思路。量子卫星向不同地面节点独立地进行SatQKD，可使远距离地面通信双方实现安全密钥共享，减少对地面量子中继的依赖。而随着未来地面节点数量增加，还应合理利用SatQKD链路资源以提升系统工作效率。借鉴地球观测卫星的观测时间调度思路，结合轨道运动规律和大气影响因素建立SatQKD链路分析性能模型对预期密钥生成结果进行比较，并通过对下行链路进行优化调度，可有效提升SatQKD效率。 研究内容： 图1 SatQKD下行链路性能建模思路 本文首先采用两行轨道根数（TLE）的星历数据文件，结合地面站地理位置信息并通过算法以特定时间步长计算确定不同时刻的两者间相对俯仰角与链路长度。然后利用已报道的相关实验设备参数资料和光学云层厚度数据资料，建立瞬时链路损耗估计模型。使用诱骗态QKD方法理论估计瞬时渐进BB84密钥生成率并以此对一段可视窗口持续时间内的密钥生成结果进行积分，得到最终安全密钥长度。   图2 不同SatQKD链路调度策略下的密钥分配情况 在完成链路建模基础上，本文对SatQKD链路执行不同任务需要的调度优化，包括：1）一般性链路调度分发策略（S-GD）实现对远距离节点间的密钥生成数量最大化；2）优先级链路调度分发策略（S-PD）实现对共同可视窗口内的更高等级用户优先密钥分发；3）按需形式的链路调度分发策略（S-TD）实现地面组网用户之间的密钥按需分配，提升进一步用于对称密钥加密的量子安全密钥使用效率。 作者介绍   石磊，空军工程大学教授，博导。长期从事机载量子通信、面向航空环境的自适应跟瞄技术等研究，主持国家自然科学基金面上项目、陕西省自然科学基金等项目，在EPJ Quantum Technology、Physics Review A、New journal of Physics、Chinese...

近日，我们采访了Transportation Technologies for a Sustainable Future一书的作者Richard A Dunlap。点击下方视频，让我们一起看看他对本书的介绍以及他在IOP出版社的出版经历吧。 电子书简介： 出版经历介绍： 作者介绍 Richard A Dunlap received a BS from Worcester PolytechnicInstitute (Physics 1974), an A.M from Dartmouth College(Physics 1976), and a PhD from Clark University (Physics1981). Since 1981, he has been a professor in the Department ofPhysics and Atmospheric Science at Dalhousie University andcurrently holds a...

本篇研究来自南京大学冯一军课题组。本文主要围绕方向复用超表面的概念、设计及应用前景展开，概括性介绍了该领域的研究进展，并着重探讨了不同类型方向复用超表面的特点及潜在应用方向。 文章介绍 A review of recent progress on directional metasurfaces: concept, design, and application Ke Chen(陈克) and Yijun Feng(冯一军) 通讯作者： 冯一军，南京大学   研究背景： 电磁超表面是一种由结构尺寸远小于工作波长的单元在二维平面内按照特定序构方式排列构成的人工复合材料，它具有低剖面、低损耗、可共形、易集成等应用优势。方向复用超表面利用谐振结构与电磁波传播方向之间的非对称耦合作用，实现了依赖于入射电磁波方向的电磁波调控功能，因而在多功能器件、成像、通信等领域有良好应用前景。本综述主要围绕方向复用超表面的概念、设计及应用前景展开，概括性介绍了该领域的研究进展，并着重探讨了不同类型方向复用超表面的特点及潜在应用方向。   研究内容： 本文首先简要概括了方向复用超表面的发展历程和研究进展，分析了互易、非互易、方向复用超材料与超表面、双面电磁波调控、非对称传输等概念之间的联系与区别，具体如图1所示。其次，重点介绍和分析了几类方向复用超表面分析理论、设计方法以及当前研究进展，主要包括手征超材料、非对称单向相位超表面、双面超表面。手征超材料是指单元结构不能通过平面内的旋转、平移操作与其对映体重叠，利用这一结构特性可实现电磁波非对称传播现象。将手征结构引入到相位超表面中，可针对特定极化电磁波实现单向波阵面调控，即超表面相位调制只作用于正向或反向传输的电磁波。双面超表面则能利用单元结构的极化、频率响应等，同时调控正向传输和反向传输电磁波阵面。其中，Janus超表面作为一种双面超表面，能对沿相反方向传输的同种电磁波独立、解耦式调控，实现非对称聚焦、非对称成像等，如图2所示。最后，文章分析总结了方向复用超表面的研究现状与存在问题，并在此基础上，讨论了未来研究和发展应用方向。 图1 互易、非互易、非对称、方向复用超表面等之间的关系概括。 图2 Janus超表面对电磁波的双向非对称调控。（a-b）应用于线极化电磁波的非对称全息成像；（c）分区域实现非对称透射/反射成像；（d）超表面与玻片组合实现非对称成像；（e）分区域实现圆极化非对称成像；基于（f）几何相位、（g）几何相位与传播相位组合的Janus超表面实现圆极化电磁波全息成像。 作者介绍 冯一军  教授 南京大学 冯一军为南京大学电子科学与工程学院教授。曾在丹麦技术大学、美国加州大学伯克利分校访问研究。1998年入选教育部“优秀青年教师资助计划”；2009年当选南京市有突出贡献中青年专家。主持承担了973、自然科学基金重大项目课题等多个项目。发表学术论文200余篇，获得2010年度江苏省科学技术一等奖和2021年度陕西省科学技术一等奖。 期刊介绍 Journal of Physics D: Applied Physics 2022年影响因子：3.4  Citescore：5.9 Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。

特刊详情 客座编辑 Christoph Oberlack，瑞士伯尔尼大学 Simona Pedde，荷兰瓦赫宁根大学 Luigi Piemontese，瑞典斯德哥尔摩复原力中心 Diana Sietz，德国Thünen生物多样性研究所 Tomas Vaclavik，捷克帕拉茨基大学 主题范围 Land use systems are pivotal for fostering necessary sustainability transformations at local to global scales. However, knowledge about effective strategies to foster sustainability transformations of land use systems currently remain dispersed among highly contextualized case studies. This Focus Issue consolidates archetypes of...

特刊详情 客座编辑 谭超，中国，天津大学 Geir Anton Johansen，挪威，卑尔根大学 Masahiro Takei，日本，千叶大学 梁光辉，中国，天津大学 主题范围 Multiphase flow is the most frequently encountered process in petroleum, chemical and biomedical engineering, which has been a broadly investigated topic for many years. Process tomography is a very helpful technology for visualizing the multiphase flow fields in a non-disturbance manner. Over the past four...

本篇研究来自中国科学院福建物质结构研究所官轮辉课题组。本文提出一步热解金属三唑骨架MET以形成富氮的分层多孔碳网络。同时，多孔碳前驱体可有效提高提高导电性，加快质子转移和物质运输速度。本工作通过设计MOFs作为碳基体和样品热解处理选择，可推广到其他MOFs基催化剂的制备。 文章介绍 Mn-N-C catalysts derived from metal triazole framework with hierarchical porosity for efficient oxygen reduction  Huiying Wang(王慧莹), Ziyan Kong(孔紫嫣), Minghao Wang(王明浩), Bing Huang(黄兵) and Lunhui Guan(官轮辉) 通讯作者： 官轮辉，中国科学院福建物质结构研究所   研究背景： 燃料电池和锌空气电池等电能转换装置经常使用金属-氮-碳(M-N-C)催化剂代替稀缺和昂贵的铂基催化剂用于氧还原反应。金属有机骨架(Metal-organic frameworks, MOFs)是多孔晶体材料的一个分支，可作为碳网络前驱体/自牺牲载体，通过热解制备M-N-C催化剂。然而，MOFs的碳化处理会导致各种价态的金属氧化物颗粒产生，烧结团聚或碳骨架坍塌等情况。因此，制备孔道结构丰富且结构稳定的前驱体，可显著提高金属-氮-碳(M-N-C)催化剂的活性位点密度和位点利用率。   研究内容： 本文提出一步热解金属三唑骨架MET以形成富氮的分层多孔碳网络。分层孔隙结构使锰离子均匀分散，减少一般热解产生的烧结团聚和金属氧化物的形成。同时，多孔碳前驱体可有效提高提高导电性，加快质子转移和物质运输速度。其活性和稳定性优于大部分已报道MOF衍生的Mn基催化剂。本工作通过设计MOFs作为碳基体和样品热解处理选择，可推广到其他MOFs基催化剂的制备。 图1 (a) Mn-N-C-35催化剂的合成过程示意图；(b) MET和(c) Mn-MET-35的SEM图像；(d) Mn-N-C-35催化剂的HR-TEM图像和(e, f) Mn-N-C-35催化剂的TEM图像;(g) Mn-N-C-35催化剂的HAADF-STEM图像和相应的EDS元素映射图像。   要点： 通过一步热解大批量制备Mn原子高度分散的氧还原电催化剂， SEM图像(图1b-c)显示催化剂粒径大小均一且具有完美的八面体结构。STEM图像（图1d-g）表明C、N、O、Mn元素分布均匀，没有明显的金属簇及金属氧化物。 图2 (a) Mn-MET-X的热重图像；(b) Mn-MET-X的孔径分布图SEM图像；(c) Mn-MET-X中氮的种类和含量。 Mn-N-C-35的比表面和微孔表面积分别为1182和397 m2·g-1。它的高孔隙率是由于MET中的三氮唑配体高温热解时大量分解和释放气体，在没有额外造孔剂的条件下形成分层多孔的碳骨架。从孔径分布图可知，催化剂的表面积增大是由于介孔结构的改善，Mn-N-C-35介孔体积高达0.86。 图3 (a-f)...

本篇研究来自中山大学吴鑫课题组。本篇研究旨在为读者提供基于MXene材料的打印和应用近期研究进展的最新回顾，重点聚焦于三个部分，即形成可打印的基于MXene的墨水、当前MXene的打印方法以及打印制件的应用。最后，展望了未来的挑战和研究机会，旨在为该领域的研究人员提供有用的信息。 文章介绍 Printing of MXene-based materials and the applications: a state-of-the-art review Xiyue Chen（陈曦玥）, Ruxue Yang（杨汝雪） and Xin Wu（吴鑫） 通讯作者： 吴鑫，中山大学化学工程与技术学院，广东珠海，wuxin28@mail.sysu.edu.cn   研究背景： 二维材料具有单原子厚度的独特微观结构，这赋予他们非凡的机械、电学、热学和光学性能。因此，二维材料大量应用在储能、环境工程、生物医学、海水淡化、电子和光电子学等领域。新兴的二维材料，包括 MXene，氮化硼、黑磷、过渡金属硫族化物，获得了越来越多的研究关注。二维材料的繁荣发展无疑会促进纳米材料的研究，并对未来技术产生重大影响。 MXene是新兴的二维材料，具有出色的电导率、亲水性、催化性能和光电性质。因此，MXene是制造光电器件、生物传感器、催化剂、超级电容器等功能器件的理想材料。 打印技术为制造基于MXene材料的功能设备提供新的方式。打印技术智能、灵活、具有种类繁多的基底与油墨适配、精准打印高分辨率图案。与传统制造方法相比，打印技术具有许多优点，例如高灵活性，对宏观尺度和微观尺度几何形状的精确控制，无需组装、废料少、环保等。其中喷墨打印技术、墨水直接书写、立体光刻等方法已经成功应用于制造基于MXene材料的器件，展示出新颖有效的组合。此外，丝网印刷和转印也为制基于MXene材料的器件提供了新的解决方案。   研究内容： 本文旨在为读者提供基于MXene材料的打印和应用近期研究进展的最新回顾，重点聚焦于三个部分，即形成可打印的基于MXene的墨水、当前MXene的打印方法以及打印制件的应用。最后，展望了未来的挑战和研究机会，旨在为该领域的研究人员提供有用的信息。 图1 MXene材料的发展历史 第二部分综述制备可打印MXene墨水的相关信息，其中包括MXene油墨的主要组成部分、活性组分（MXene）制备方法、并探讨了目前主要制备方法的优缺点。 图2 液态MXene打印墨水 第三部分总结并讨论了可应用于MXene材料的打印方法，相关的印刷技术包括喷墨印刷、直接墨水书写、丝网印刷、转印和立体光刻。我们总结了这些技术在MXene基材料的应用，及其各自的优点和缺点。 表1 当前主流打印方法对比 第四部分我们回顾了基于MXene的材料打印研究的最新进展以及在储能和传感器中的应用。基于MXene的材料在超级电容器、电池、传感器、催化剂、光电子学等领域具有巨大的应用潜力。印刷技术能够为制造基于MXene的功能器件开辟新时代。随着MXene液体剥离技术的快速发展，以及MXene油墨稳定性和流变性能的提高，打印MXene的应用潜力将被进一步释放。 图3 储能领域应用 图4 传感器领域应用 最后，我们提出了打印MXene基材料这一研究领域的总结与展望。 作者介绍 吴鑫  副教授 中山大学 吴鑫，副教授，硕士生导师。主要从事纳米二维材料电化学、3D打印等方面的应用研究工作。目前以第一作者/通讯作者在Small，CARBON, Applied Physics Letters, Journal of Nuclear Materials 等材料化工类著名期刊发表高水平论文30余篇，出版英文专著一部（Springer Theses...

特刊详情 客座编辑 林金泰，北京大学 蔡闻佳，清华大学 刘宇，中国科学院 聂绩，北京大学 乐旭，南京信息工程大学 王涛，中科院青藏高原研究所 张强，清华大学 主题范围 Changes in climate and atmospheric environment are among the most pressing challenges the world is facing. China is a major country of emissions and carbon sink. China’s future development towards carbon neutrality will not only mean fundamental changes in its carbon emissions and sinks but...