原子力显微镜力谱技术及其在微观生物力学领域的应用

基于原子力显微镜技术的力谱技术是一种高灵敏度的力学检测方法.它能够以前所未有的精度, 在微观生物力学领域表征组织、细胞、生物膜、蛋白质、核酸、功能材料等目标对象, 探索其包括形貌、化学信息、导电性、静电力以及生物学特性在内的等信息, 并且能够对其进行分子级别精度的三维操纵. 从而对分子结构与构象变化, 分子间的相互作用以及反应历程实现单分子水平的实时--原位观测, 提供了其他测试方法不能完成的实验设计之可能性.本文首先介绍了原子力显微镜及其力谱技术的原理, 以及影响测量结果的各个参数的物理意义; 其次按照单个目标对象与配对目标对象的区分方式, 详细介绍了力谱技术在微观生物力学各个尺度上的研究进展; 之后介绍了力谱技术结合成像模式下的发展和应用; 最后对设备的改进和本研究领域发展方向进行了展望.      

轻敲模式下 AFM 动力学模型及能量耗散机理研究

轻敲模式下探针从远离到间歇性接触样品表面,是一个连续的能量耗散过程.针对该连续过程的能量耗散机理研究仅零星存在于各个文献之中,对于连续过程中各个阶段的能量耗散机理也没有一个系统的解释和实验验证.本文提出了新的位移激励下原子力显微镜探针-样品系统简化模型并得到了一维振子系统等效阻尼的计算方法,并通过该方法计算了探针在远离样品表面时的空气黏性阻尼和靠近样品时的空气压膜阻尼,分析了探针从远离样品到间歇性接触样品表面这一过程中的环境耗散机理变化,得到了原子力显微镜系统理论品质因数与探针工作位置的关系曲线;在此基础上设计了轻敲模式下的微悬臂梁扫频实验,得到了系统实验品质因数与探针工作位置的关系曲线,进而验证了理论模型的准确性. 本文通过对轻敲模式下AFM环境耗散机理进行理论分析和实验验证,希望可以对轻敲模式下AFM动力学特性及其阻尼作用机理有更近一步的认识,同时对微纳米机电系统 (MEMS/NEMS) 能量耗散机理的研究提供理论参考和实验方法.      

温度、压力对甲烷-空气混合物爆炸极限耦合影响的实验研究

为了研究不同初始条件对甲烷-空气混合物爆炸极限的影响,利用容积为20 L的爆炸罐,在不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下测定了甲烷-空气混合物的爆炸极限。实验结果表明,随着初始温度和初始压力的升高,爆炸上限升高,爆炸下限降低,爆炸极限范围扩大。在实验温度和压力范围内,常压/常温条件下,爆炸上限和下限与初始温度/初始压力呈线性相关。爆炸上限与初始温度的相关性受初始压力的影响,其与初始压力的相关性也与初始温度有关。然而,初始压力/初始温度对爆炸下限的影响与初始温度/初始压力的相关性并不显著。初始温度和初始压力对爆炸极限的耦合影响比单一因素对其的影响大,且相较而言,其对爆炸上限的影响更为显著。本文中绘制了影响曲面来描述初始温度和初始压力如何影响甲烷-空气混合物的爆炸极限。     

黏弹性材料等效分数阶微观结构标准线性固体模型

从黏弹性材料微观链结构出发,以橡胶基黏弹性材料超弹性理论分子网链高斯(Gauss)统计模型和黏滞流动理论为基础,研究黏弹性材料的微观结构、填料等对黏弹性性能的影响.用温频等效原理描述温度对黏弹性材料力学性能的影响,建立了可以有效描述黏弹性材料耗能特性的等效分数阶微观结构标准线性固体模型.采用动态热机械分析仪(DMA)对高聚物黏弹性材料力学性能、耗能能力进行测试.试验表明:在低温区域,储能模量较大,随着温度的升高,储能模量下降显著;能量损耗因子在高温和低温区域数值较小,在玻璃化转变温度附近数值较高.根据测试数据对所提等效分数阶微观结构标准线性固体模型进行验证,该力学模型能够较好地描述黏弹性材料储能模量和能量损耗因子随温度的变化趋势.用9050A和ZN22黏弹性材料对模型的有效性进一步验证,结果表明:9050A和ZN22黏弹性材料具有较好的耗能能力,所提出的等效分数阶微观结构标准线性固体模型能够准确地描述微观结构和填料对黏弹性材料宏观性能的影响,能够准确地描述黏弹性材料在不同温度和频率下的动态力学性能.     

微振激励下黏弹性阻尼器微观链结构力学模型

减小微振动对高精密仪器至关重要,利用黏弹性阻尼器进行微振动抑制是一个新兴而又具有挑战性的课题.本文采用分子链网络模型方法分析了黏弹性材料的微观分子链结构,综合考虑材料分子链结构中的网络链和自由链对黏弹性材料力学性能的影响,提出一种基于材料微观分子链结构的微振激励下黏弹性阻尼器力学模型.模型分别采用标准线性固体模型和Maxwell模型来描述网络链和自由链中单个链的力学性能,并分别采用8链网络模型和3链网络模型考虑两种类型分子链的综合效应,引入温频等效原理描述温度对微振激励下黏弹性阻尼器力学性能的影响.该模型能够描述温度和频率对黏弹性阻尼器动态力学性能的影响,并能够反映黏弹性材料的微观结构与材料力学性能的关系.为验证所提模型的有效性及考察黏弹性阻尼器在微振激励下的耗能能力和动态力学性能,在微振条件下对黏弹性阻尼器进行了动态力学性能试验.研究结果表明黏弹性阻尼器具有较好的微振耗能能力,其动态力学性能受温度和频率影响较大,所提的力学模型能够精确地描述微振激励下黏弹性阻尼器动态力学性能随温度和频率的变化关系.      

石英岩表面分子沉积膜的微观摩擦性能的试验研究

利用原子力显微镜对石英岩表面单层分子沉积膜的微观摩擦特性进行了研究,发现该分子沉积膜具有一定的减摩性.通过对其表面力-位移曲线、表面形貌像、调制力像和摩擦力像的进一步分析表明,石英岩表面分子沉积膜具有减摩作用的原因在于它能够降低表面的粘着力并对表面具有微观修饰作用.     

石英岩表面分子沉积膜的微观摩擦性能试验研究

利用原子力显微镜对石英岩表面单层分子沉积膜的微观摩擦特性进行了研究,发现该分子沉积膜具且定的减摩性。通过对其表面力－位移曲线、表面形貌像、调制力像和摩擦力像的进一步分析表明,石英岩表面分子沉积膜具有减摩作用的原因在于它能够降低表面的粘着力并对表面具有微观修饰作用。     

磁场对电磁弹性板中Lamb波频散特性的影响

研究了静态磁场下电磁弹性结构中Lamb波的传播行为.在确定静态磁场下电磁弹性板中耦合初始广义应力(弹性应力、电位移和磁感应强度的基础上,推导了含初始广义应力时板中Lamb波传播的运动方程,并由此获得了对称模态和反对称模态时的频散方程.以由BaTiO3-CoFe2O4材料构成的电磁弹性板模型作为数值算例,绘制了Lamb波传播的对称模态和反对称模态频散曲线.计算结果表明磁场对Lamb波的频散特性有一定的影响.     

关于轻敲式原子力显微镜动力学系统中能量耗散的研究

原子力显微镜是一种典型的微纳谐振器,其核心部件是一个对微弱力极敏感的微悬臂梁探针,当它在不同的环境工作时,存在着各种不同形式、不同性质的能量耗散,这些能量耗散与系统的相位图像有着密切的联系.在众多的耗散机制中,只有针尖与样品的黏附接触耗散才能真正反映样品的性质,其他耗散会降低黏附接触耗散在系统总耗散中的占比,使得图像中的有效信息被削弱.因而,明确其他耗散对系统品质因数的量级贡献是十分重要的,这有助于提高图像的品质.为了研究这些耗散,本文根据耗散机理产生的原因对不同的能量耗散进行了细致的分类,系统总结了各种能量耗散的类型.之后,通过理论、实验和仿真的方法探究了在不同环境下、不同位置处微悬臂梁探针的能量耗散,明确了不同耗散对系统品质因数的量级贡献.然后,对于不同流体环境下的能量耗散,对比了它们的作用机理及量级大小.最后,对于在大气环境下工作的原子力显微镜探针,研究了它在振动过程中从高于样品表面到下降并接触样品这一连续过程中不同阶段存在的能量耗散,分析表明,在这些能量耗散中对系统品质因数影响最大的是由空气引起的耗散,包括空气黏性阻尼,压膜阻尼及液桥耗散.     

应用超声多普勒对软组织弹性成像的研究

超声弹性估计与成像有可能成为生物软组织病变诊断的新技术。本言语提出采用仿体外加低频振动与超声多普勒检测及成像相结合的方法,对均匀及非均匀仿体进行声弹性成像,以波动方程和彩色超声多普勒成像为基础,给出了组织振动幅度、速度和调制参数β的估算公式。初步的仿体实验结果表明软组织振动公式与超声弹性图吻合得很好,超声弹性成像比传统Ｂ超更分弹性模量变化垢区域。这些研究圣字位与诊断声阻抗及声散射特性差异不明显的小