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2020年  第52卷  第4期

特约综述
钛酸锂负极的相分离机制
卢侠, 陈伟鑫
2020, 52(4): 1-16. doi: 10.6054/j.jscnun.2020054
摘要:
尖晶石钛酸锂(Li4Ti5O12)作为锂离子电池负极材料具有长寿命、高稳定性的特点,是高功率锂离子电池的理想选择,对发展电动汽车以及智能电网有重要意义.结合球差校正透射电镜(STEM)、电子能量损失谱(EELS)和理论计算,在原子尺度观测到了尖晶石钛酸锂(Li4Ti5O12)的结构,实现了对脱嵌锂过程的直接观测与表征.在锂化过程中,出现一个近似理想的异质界面(Li4Ti5O12/Li7Ti5O12),界面两侧Ti离子呈不同价态分布(Ti3+/Ti4+).而随着锂离子在材料中的嵌入和脱出,TiO6八面体里面的Ti—O键会产生相应的收缩或拉伸(“呼吸”模型),而这种键长的变化直接导致材料在不同区域的电子电导率产生质的变化(由绝缘体的Li4Ti5O12向近似导体的Li7Ti5O12转变),而基本不影响材料的离子电导率,这是材料具有优良倍率性能的重要条件.借助原子分辨的EELS分析研究锂化以后的Li7Ti5O12表面, 观测到材料表面的Ti3+自发氧化成Ti4+,这个电荷转移过程可以诱导电极材料界面上的副反应,可以合理解释钛酸锂电池产气的原因.进一步将钛酸锂电池用于储钠研究发现了晶格中存在Li4Ti5O12/Li7Ti5O12/Na6LiTi5O12三相分离机制,深化了对电极材料过程动力学的认识.这些重要研究结果为钛酸锂的工业化应用提供了重要的结构基础与理论指导.
数据驱动下的个性化自适应学习研究综述
朱佳, 张丽君, 梁婉莹
2020, 52(4): 17-25. doi: 10.6054/j.jscnun.2020055
摘要:
智能教育环境下的教学更加关注学习者的个性化诉求,而自适应学习能够为实现个性化教育提供技术和方法支持.文章从数据驱动的视角出发,通过开展国内外个性化自适应学习研究的综述分析,对其系统框架和相关组件进行阐述和解读.其中,重点从领域知识模型、学习者特征模型和教学模型三方面对其实现机制进行探析,提出当前研究存在的问题和不足,并在此基础上介绍了近年来可促进解释性提升的相关组件技术研究,奠定进一步深入个性化自适应学习研究的基础.
物理学与光学工程
短程相互作用对准粒子相对论动力学的影响
李志, 胡玥, 郭政鑫, 陈李梅, 黄育蕾
2020, 52(4): 26-30. doi: 10.6054/j.jscnun.2020056
摘要:
通过调节短程相互作用,在Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型中实现了Dirac点的移动与融合.该过程对应于一种由半金属相到能带绝缘相的拓扑相变(即Lifshitz相变).通过解析和数值研究的方法,对该相变过程中系统准粒子的相对论动力学特性进行了研究.结果表明:在短程相互作用很弱的情况下(即Dirac点融合前),系统展现出相对论动力学特征; 然而,随着短程相互作用的增强,Dirac点会发生融合相变.此后,系统则表现为非相对论动力学特征.因此,相变过程是由相对论到非相对论动力学转变的过程.进一步通过数值模拟得到了融合前(相对论)后(非相对论)粒子的密度分布随时间演化的图像.在相变前,单色Dirac准粒子发生劈裂,而双色Dirac准粒子产生定向漂移现象.在相变后,无论初态如何改变,系统始终无组分劈裂现象出现.最后,展示了不同相互作用下准粒子的质心运动曲线(世界线).
复合脉冲控制阶梯型多态量子系统的转移通道
张钻娴, REHMANFazal, 陈志文, 黄巍
2020, 52(4): 31-36. doi: 10.6054/j.jscnun.2020057
摘要:
提出了利用复合脉冲在阶梯型多态量子系统中操控量子态演化和粒子数相干转移的方法.首先通过Morris-Shore变换,借助二能级传播算子描述多态量子系统的演化.然后利用增加脉冲序列数且单个脉冲的相位可控的技术,抑制额外的转移通道,实现高效率高鲁棒性的量子态操控和粒子数转移.最后通过数值模拟研究了额外通道和转移通道的拉比频率比、脉冲面积的变化、单光子失谐偏离零点等因素对转移效率的影响.结果表明:常被用于二能级量子系统的复合脉冲操控方法也可被应用于多态量子系统.通过增加脉冲序列数,可有效减小相关参数的扰动,保持高效率的粒子数转移.多脉冲序列复合脉冲的技术可以解决偏振不纯、激光频率不纯、控制参数扰动等造成的量子态操控效率降低等问题.研究结果对构造量子门、量子模拟等相关研究具有重要意义.
化学与环境
载体晶粒尺寸对CuY催化剂性能的影响
王玉春, 刘赵荣, 谭超, 孙鸿, 李忠
2020, 52(4): 37-42. doi: 10.6054/j.jscnun.2020058
摘要:
以偏铝酸钠和硅溶胶为主要原料,采用无导向剂法制备了不同粒径的分子筛NaY, 利用离子交换反应, 采用NH4NO3溶液将NaY转化为NH4Y分子筛.以NH4Y为载体,通过蒸气浸渍法制备了CuY催化剂.采用XRD、TEM、BET和XPS等技术对催化剂进行了表征分析.将CuY催化剂应用于甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)的反应,考察了载体粒径对催化活性的影响.结果表明:载体晶粒影响了孔结构,尤其是间隙孔的形成,进而影响催化剂的催化活性.当粒径约500 nm时,晶粒间隙孔恰好有利于DMC的形成,此时CuY催化剂表现出最优的催化活性,DMC基于甲醇的时空收率、甲醇转换率、DMC选择性分别为273.1 mg/(g·h)、6.5%、72.1%.
铜表面镍-石墨烯的电沉积制备及耐腐蚀性能
马久明, 宋士虎, 冼明锏, 卢东亮, 陈先义, 鲁圣国
2020, 52(4): 43-49. doi: 10.6054/j.jscnun.2020059
摘要:
采用电沉积方法,将石墨烯与镍离子共沉积到被保护的铜基底上,制备了镍-石墨烯复合镀层.通过X射线衍射(XRD)、扫面电子显微镜(SEM)等方法对复合材料的物质结构、表面形貌特征进行了表征,采用海水浸泡方法研究了复合材料的抗腐蚀性能.结果表明:当电流密度为5 A/dm2时,共沉积方法制备的镍-石墨烯复合镀层平整连续,晶粒较小,石墨烯穿插于多个镍颗粒之间,将镍颗粒包裹于其中,能有效阻断海水中的酸根、碱性离子对铜基底的腐蚀作用,明显增强了复合材料的耐腐蚀性.此研究对船舶及海洋工程金属构件的抗海水腐蚀方法具有一定的参考价值.
力致变色吩噻嗪衍生物的合成及其对2,4,6-三硝基苯酚的荧光检测
苏弘霖, 杨京莲, 高敏, 温钰旸, 梁楸怡, 郭化雷, 张敏敏, 区振杰, 刘聪, 许炳佳
2020, 52(4): 50-56. doi: 10.6054/j.jscnun.2020060
摘要:
设计合成了2种具有明显聚集诱导发光(AIE)特性的吩噻嗪衍生物(SPA和SPN).荧光光谱研究表明, 这2种化合物在水溶液中能够特异性地识别2, 4, 6-三硝基苯酚(TNP), 其中SPA荧光检测TNP的猝灭率为89.1%, 猝灭常数Ksv为3.18×104 L/mol, 检出限为8.62×10-7 mol/L; SPN荧光检测TNP的猝灭率为90.4%, 猝灭常数Ksv为4.43×104 L/mol, 检出限为5.00×10-7 mol/L, 有望作为荧光探针特异性识别TNP.而且SPA分子具有可逆的力致荧光变色特性, 在紫外灯下发出蓝色荧光, 研磨后变为浅黄色, 有望被用于防伪材料或者可视化压力传感器领域.
基于苯并呋咱的HSO3-离子荧光探针
冯锐鸿, 曾惠文, 陈志昕, 吕足, 马立军
2020, 52(4): 57-62. doi: 10.6054/j.jscnun.2020061
摘要:
以4-氯-7-硝基苯并呋咱(NBD-Cl)和咪唑-4-甲醛为原料,设计合成了一种用于检测亚硫酸氢根离子(HSO3-)的荧光探针,并通过核磁共振氢谱(1H-NMR)、质谱(MS)对其结构进行了表征.荧光测试结果表明:在二甲基亚砜(DMSO)水溶液中,该化合物能够对HSO3-表现出荧光增强响应,而相同条件下该化合物对其他阴离子几乎没有类似的荧光识别现象,因此该荧光化合物对HSO3-具有专一荧光识别作用,是一种有效的HSO3-荧光探针.
生物学与生物工程
紫心甘薯转录因子bHLH的基因克隆及功能研究
惠亚可, 胡敏伦, 郭晋雅, 高峰
2020, 52(4): 63-70. doi: 10.6054/j.jscnun.2020062
摘要:
通过对紫心甘薯中bHLH类转录因子的基因进行分子克隆,对其结构、表达模式及功能进行研究,明确了其结构特征和生物学功能.通过采用RACE克隆方法,获得了编码bHLH基因且长度分别为2 516 bp和2 304 bp的cDNA全序列.基于DNA序列的分子进化树分析结果表明:两者分别属于植物bHLH1bHLH2基因家族的成员,分别将其命名为IbbHLH1(GenBank登录号:KC708871)和IbbHLH2 (GenBank登录号:JF508437);IbbHLH1和IbbHLH2蛋白均定位于细胞核; 在3个甘薯品种(系)的块根中,IbbHLH2基因与花色素苷合成途径中的酶基因(CHSCHIF3HDFRANS和3GT)的表达量变化趋势相一致,初步推测转录因子IbbHLH2可能参与了紫心甘薯花色素苷合成途径一系列酶基因的表达与调控.
化州柚与柚的转录组比较及黄酮生物合成差异表达基因分析
颜仁梁, 梁永枢, 周国洪, 夏黎, 林励, 周代营
2020, 52(4): 71-78. doi: 10.6054/j.jscnun.2020063
摘要:
为获得化州柚和柚的转录组数据及黄酮类成分生物合成相关的差异表达基因,采集化州柚和柚的嫩叶样本作为受试材料,采用高通量二代测序技术进行转录组测序,并运用Nr、Swiss-Prot、KOG、KEGG等网络数据库进行转录组中表达基因功能的生物信息学分析,共组装得到116 202个单基因(Unigene),注释了68 923个单基因(59.31%),柚转录组中表达基因有94 798个,化州柚中表达基因107 196个,化州柚与柚的转录组差异表达基因共6 419个.结果表明:化州柚相对于柚上调基因有3 799个,占差异表达基因的59.18%,下调基因2 620个,占40.82%.通过与KEGG数据库进行比对,共获得771个基因功能注释,涉及125条代谢通路,找到9个与类黄酮、黄酮和黄酮醇生物合成相关基因,为化州柚和柚的化学成分差异分子基础研究奠定了基因数据基础.
地理科学与技术
基于稳定氢氧同位素的高寒草甸坡地壤中流产流研究
蒋志云, 姜皓月, 赖振, 肖雄, 吴华武
2020, 52(4): 79-85. doi: 10.6054/j.jscnun.2020064
摘要:
以青海湖流域高寒草甸坡地为例, 通过收集2013年4—9月大气降水、土壤水和壤中流样品, 测定其稳定氢氧同位素值(δD和δ18O)并分析不同水体同位素特征, 同时使用二源线性混合模型辨析壤中流的产流来源.结果显示:大气降水的氢氧同位素值更加接近浅层(0~40 cm)土壤水的氢氧同位素值, 说明大气降水对浅层土壤水的补给作用要高于深层(40~80 cm)土壤水, 而壤中流的氢氧同位素值更加接近深层土壤水的氢氧同位素值, 说明该部分壤中流主要来源于降水前储存在土壤中的水分; 在非降水期间, 土壤水对坡上和坡中位置壤中流的平均贡献率分别为88.54%和78.43%;当降水事件发生时, 壤中流的水分来源由土壤水逐渐转变为大气降水, 而降水停止后土壤水重新成为壤中流的主要来源, 说明土壤水是高寒草甸壤中流产流的重要来源.
TransE和TransH模型空间地址表示学习中的对比研究——以广州市天河区为例
王昕, 李卫红, 童昊昕
2020, 52(4): 86-94. doi: 10.6054/j.jscnun.2020065
摘要:
将地理知识融入空间地址,研究空间信息与语义信息融合的知识表示学习方法;将空间地址数据集在TransE模型和TransH模型上进行训练,通过元组分类和向量间距离评估的方法进行对比研究.研究结果表明:(1)在地址实体的表示学习任务中,TransH模型在对复杂关系的建模任务上明显优于TransE模型;(2)在语义知识基础上融入空间关系,能够有效地解决地址实体语义相似而空间距离不相近和空间距离相近而语义不相似的两大问题.语义关系与空间关系的融合,将能够挖掘更多有价值的信息,有利于进一步开展地理知识图谱的补全工作,可为地理知识图谱表示学习提供方法借鉴.
数学与应用数学
具有现实约束的均值-VaR投资组合绩效评价
曾永泉, 张鹏
2020, 52(4): 95-103. doi: 10.6054/j.jscnun.2020066
摘要:
考虑交易成本、借款约束、上下界约束和基数约束等实际约束条件,提出了均值-VaR投资组合优化模型;该投资组合优化模型非常复杂,难以获得真实前沿面的解析解,给投资组合理论的应用带来了很大的困难,因此,进一步提出了具有实际约束的均值-VaR投资组合DEA绩效评价模型,通过构建DEA模型的前沿面来逼近真实前沿面,从而对构建的投资组合绩效评价模型进行效率评价;最后,运用上海证券市场的股票周交易数据进行实证研究.研究结果表明:随着样本数据量的增大,DEA前沿面逐渐接近于真实前沿面.
λ-超曲面的一个积分等式
李云川, 刘燕, 魏国新
2020, 52(4): 104-106. doi: 10.6054/j.jscnun.2020067
摘要:
研究了λ-超曲面,得到了有关完备的λ-超曲面的一个积分等式:若 X :M\begin{document}$\mathbb{R}$\end{document}n+1n-维完备的具有多项式面积增长的λ-超曲面且满足S有界,则有∫M(|▽H|2+(H-λ)(H+S(λ-H)))\begin{document}${{\rm{e}}^{ - \frac{{|\mathit{\boldsymbol{X}}{|^2}}}{2}}}$\end{document}dμ=0,其中,HM的平均曲率,SM的第二基本形式模长平方.并由该积分等式得到了一个刚性结果.
计算机科学与软件工程
基于时序卷积网络的云服务器性能预测模型
廖恩红, 舒娜, 李加伟, 庞雄文
2020, 52(4): 107-113. doi: 10.6054/j.jscnun.2020068
摘要:
目前基于深度学习的主机性能预测模型大部分缺乏普适性,实验数据缺乏公正性,无法准确预测能耗或性能峰值点且时间开销较大.为解决这些问题,文章提出了一种基于改进时序卷积网络的云服务器性能预测模型(ATCN模型).该模型将CPU利用率作为主机过载的衡量标准,利用多维性能指标构建N+1维能耗向量,建立输入向量与预测标准之间的关系;调整TCN中的卷积核大小并不断增大扩张因子,实现长期记忆效果.基于阿里云开源数据集的实验结果表明:ATCN模型具有强自适应性,在不同硬件配置和资源使用情况下,预测准确率和效率方面比LSTM模型提升大约20%.
大整数除法器硬件电路研究与实现
王德明, 骆开庆
2020, 52(4): 114-119. doi: 10.6054/j.jscnun.2020069
摘要:
为加快传统的大整数除法的运算速度,提出了一种适合硬件实现的低功耗大整数除法快速算法,在此基础上设计了一个低功耗大整数除法器硬件电路:将2个大整数分别存储在独立的随机访问存储器中,结合控制器和状态机,以实现高速数据读取和计算.所提出的除法器具备高速和低功耗特性,且支持多种位宽的除法以及求模运算,最高可支持4 096位的被除数以及2 048位的除数.使用130 nm CMOS工艺,从面积、功耗和速度方面对大整数除法器硬件电路进行分析,结果表明:该除法器的主频最高可达125 MHz,总面积为0.12 mm2,每兆赫兹消耗的功耗为10 μW.
其他
董事会成员背景多元化对企业创新产出的影响——基于内部控制有效性调节效应的分析
朱渝梅, 李日华, 刘伟
2020, 52(4): 120-128. doi: 10.6054/j.jscnun.2020070
摘要:
运用理论分析和实证检验相结合的方法,探讨了董事会成员背景多元化与企业创新产出的关系,以及内部控制有效性对二者关系的调节效应.首先,以高阶梯队理论、资源依赖理论和社会认知理论等作为理论基础,分析提出2个研究假设;然后,选取我国2012—2018年A股上市公司的数据为样本,通过建立2个多元线性回归数学模型,运用Pearson变量相关性分析技术和方差膨胀因子检验以及OLS、FE等方法分析后发现:(1)董事会背景多元化在1%的显著性水平上对企业创新具有正向的促进作用;(2)内部控制有效性在1%的显著性水平上对董事会背景多元化与企业创新产出的关系具有正向调节作用,即随着内部控制有效性的提升,董事会背景多元化对企业创新产出的正向影响逐渐增强; (3)在国有控股企业、总经理与董事长两职分离的企业和市场化程度较高地区的企业中,内部控制有效性对董事会背景多元化促进企业创新的正向调节作用更为明显.