胶体铁磁流体的光子特性研究

这篇综述回顾了我们今年来在铁磁流体方面的一些研究工作。铁磁流体是一种纳米磁颗粒或亚铁磁颗粒悬浮在基液（如：水或煤油）中形成的悬浮液。铁磁流体之所以受到广泛关注,是因为它们在许多方面都有着潜在应用,例如在机械工程和生物医学等领域。再次综述中,我们首先介绍了铁磁流体的场感应各向异性结构,然后,介绍了几种铁磁流体基软物质材料的光学性质,即：光学负折射、磁控光子待隙和非线性光学响应。我们采用的研究方法主要是分子动力学模拟,有效煤质近似和有限元模拟.     

第20届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题介绍与解答

第20届亚洲物理奥林匹克竞赛实验题为铁磁流体,试题包括铁磁流体的静态响应和铁磁流体中的波脉冲.铁磁流体的静态响应部分设置4个问题:静态测试,研究铁磁流体的表面张力,用光学方法测量有、无尖刺时液体的表面特征.铁磁流体中的波脉冲部分设置4个问题:研究平面波脉冲,深度变化的流体中的波脉冲,波及其磁效应,强磁场中铁磁流体的内部特征.本文详细介绍了竞赛试题的内容,并给出试题的解答.     

基于基液连续假设的大体系Cu-H2O纳米流体输运特性的模拟研究

分子动力学模拟是研究纳米流体的输运特性的重要手段, 但计算量庞大. 为研究能体现流动传热过程的大体系纳米流体的输运特性, 本文对基液采用连续介质假设, 将基液的势能拟合在纳米团簇的势能中, 大幅度减小了计算量, 使得大体系输运特性的模拟成为可能, 且模拟结果与多组实验结果吻合较好. 采用此方法模拟研究了速度梯度剪切对Cu-H₂O纳米流体颗粒聚集过程和聚集特性的影响, 进而对Cu-H₂O纳米流体在流动传热过程中的热导率和黏度进行了模拟计算, 定量揭示了宏观流动传热过程中不同的速度梯度、速度、平均温度和温度梯度对于Cu-H₂O纳米流体热导率和黏度的影响.     

铁磁流体的静态响应与波脉冲

正1.铁磁流体的静态响应(10分)引言:铁磁流体是在液体中纳米颗粒Fe3O4悬浮液。它们能够表现出一系列有趣的特性,尤其是在施加磁场时具有强烈响应,这被称为超顺磁性。在本实验中,需要使用静态和动态测试方法以及一系列实验测量和估计技术,实验研究铁磁流体的某些特性。实验分为两部分,建议按顺序解答问题。实验器材列表如下:1)小玻璃瓶,内部盛有透明溶液中的铁磁流体。严禁以任何理由打开瓶子!     

磁性流体薄片高电压电流光学测量的研究

研究一种用磁性流体薄片对高压电流进行光学测量的电流传感器。设计原理基于磁性流体的光透射率随垂直磁场强度的变化而变化的关系。磁性流体受到垂直外磁场作用,原先无序的磁性颗粒将凝聚在一起形成条条磁链,从而引起磁性流体的光透射率的变化。采用磁性流体作为传感媒介设计的传感结构避免了基于法拉第效应的光磁式电流互感器对环境干扰敏感造成信噪比不高和传统的电磁式电流互感器的高压绝缘的缺陷。通过改变磁性流体的浓度和基液,或者改变传感头的结构,来达到实际需要的传感灵敏度和响应时间。     

颗粒聚集对纳米流体强化换热影响浅析

本文采用数值模拟的方法初步研究了颗粒聚集对纳米流体强化换热性能的影响。在流体中随机生成纳米颗粒团聚状态,并对其热性能进行数值模拟,结果表明,纳米颗粒的聚集将会导致流体换热性能的下降,降低程度与纳米颗粒体积分数以及聚集程度有关。     

可压缩颗粒圆孔射流并行直接数值模拟算法研究

对空间模式发展的气固两相圆孔射流中颗粒与流体双相耦合作用进行了并行环境下的直接数值模拟算法研究。气相流场采用可压缩的N-S方程直接求解。计算颗粒场时,采用Lagrangian方法跟踪实际的颗粒运动。利用并行求解算法,实现了颗粒穿越边界面的模拟。为了模拟颗粒对流体的作用,考虑了颗粒和流体的双相耦合。在本文的计算条件下,颗粒的直径远小于网格的间距,平均的Kolmogorov尺度和网格的间距在一个量级,保证了DNS的要求。气相和颗粒相的应力与实验的对比研究表明,本文的颗粒并行程序是可信的。     

杂质颗粒对受激布里渊散射介质光学击穿阈值影响的研究

建立了受激布里渊散射介质中热作用破坏的物理模型, 数值模拟了杂质颗粒的温度随其半径的变化曲线.结果显示,杂质颗粒存在一个最大热作用半径, 介质所含颗粒的尺寸在此半径附近时,介质最容易发生光学击穿现象, 其光学击穿阈值最低.在Continuum Nd: YAG种子注入式激光系统中,选取FC-3283, GF-180和HFE-7100介质, 通过不同孔径的过滤膜进行过滤,并研究了过滤前后的光学击穿阈值和能量反射率. 结果表明,随着过滤孔径的变小,介质光学击穿阈值逐渐提高, 且过滤之后介质的能量反射率有了明显的提高.介绍了一种利用He-Ne激光透射光光斑变化来判断是否发生光学击穿现象的方法,该方法具有方便、 准确的特点,可有效地减小由于肉眼观测引起的误差.     

工业中粉体颗粒的荷电机理及数值模拟方法

工业过程中粉体颗粒不可避免地会相互摩擦碰撞而荷电. 荷电颗粒的存在可能会危害正常的工业生产过程, 也可能对工业过程起促进作用. 因此, 荷电粉体颗粒及其特性受到了广泛的关注, 但目前对粉体颗粒的荷电机理依然缺乏透彻的了解, 尤其是在气固两相流动中的粉体颗粒荷电现象. 事实上, 工业中存在的粉体颗粒的运动都受到流体的影响, 是典型的气固两相流系统, 流体对粉体颗粒的作用使粉体颗粒接触的荷电现象变得更为复杂, 因此从两相流动的观点来研究粉体颗粒荷电的物理本质就显得越来越重要. 本文介绍了工业过程中的几种不同类型的粉体颗粒荷电行为, 回顾了颗粒的荷电机理与描述颗粒荷电的数学模型. 对于工业过程中颗粒的荷电现象及颗粒在多相流体中的动力学行为, 介绍了研究颗粒受流体影响时荷电特性的数值模拟方法. 本文旨在对粉体颗粒的荷电机理、应用以及研究方法进行梳理与探讨, 为正确认识工业过程中粉体颗粒的荷电现象并加以控制利用提供理论借鉴.     

冰浆流动换热特性的综述及模拟分析

综述冰浆输送过程和在换热器中的流动换热特性研究现状。目前对冰浆流动特性研究主要是为了解决输送冷流体过程中的压降、摩阻系数等问题,输送途径主要是直管、弯管,可控因变量包括含冰率、管道直径、冰浆粘度、流速、Re数等参数。此外,还对冰浆在水平直管中流动情况进行了数值模拟,提出了最值冰浆浓度和第一临界速度、第二临界速度等参数,并推测冰浆流动换热应从三段进行考虑。冰浆在换热器中的流动换热过程与管道输送相比,通道结构更复杂导致阻力损失变大、换热增强、相变程度大,同时还要考虑固体颗粒与流体之间的耦合作用,因此目前的研究主要停留在实验阶段,在实验基础上进行半经验公式的推导。基础性理论研究主要涉及两相流动、颗粒力学和相变潜热三方面。此外,对未来研究方向提出几点建议,尤其是应从微观颗粒受力和晶体结构角度探讨冰浆的流动换热情况,脱离原有单相流体研究方式,冰浆颗粒流动至少分三段研究。     

Optical properties of one-dimensional soft photonic crystals with ferrofluids

We review the recent theoretical study on the optical properties of one-dimensional soft photonic crystals (1D SPCs) with ferrofluids. The proposed structure is composed of alternating ferrofluid layers and dielectric layers. For the ferrofluid, single domain ferromagnetic nanoparticles can align to a chain under the stimuli of an external magnetic field, thus changing the microstructure of the system. Meanwhile, nonlinear optical responses in ferrofluids are also briefly reviewed.     

FCC结构胶体光子晶体的制备及其带隙特性测量

基于对光纤传输特性和胶体光子晶体制备方法的研究,提出了用外加电场控制的方法制备光子带隙位于通讯波段的FCC结构的胶体光子晶体,并用光纤系统测试胶体光子晶体的带隙特性.采用RSOFT模拟了胶体光子晶体的带隙,分析了带隙位于通讯波段时所需的胶体微球的基本参量(微球折射率和直径).采用自组装的方法,用步进电机控制玻璃基片向上的拉升速率.速率为5 μm/s,同时外加一电场.用扫描电镜观测胶体晶体的表面形貌,并设计了单模光纤系统测量胶体光子晶体的带隙特性.测试的透射谱线表明胶体光子晶体的带隙中心波长为1552 nm.测试结果和模拟结果具有很好的一致性,误差只有2 nm.     

基于光纤的三维可调胶体光子晶体

用改进的垂直沉积法在光纤端面制备了高质量的SiO₂胶体光子晶体,经过烧结、固化构成胶体光子晶体-光纤结构. 用扫描电子显微镜确定了样品为面心立方密排结构,其密排面平行于光纤基底表面. 利用全光纤传感网络测试了该胶体光子晶体,反射峰中心位于845 nm处,与Bragg理论计算值符合很好. 将该样品浸入不同折射率的液体中,反射光谱的峰值位置随着液体折射率的改变而发生偏移,近似呈线性关系,实现了峰位可调. 对于不同浓度引起的液体折射率的变化,基于光纤的胶体光子晶体结构也能够很好地分辨出来. 关键词： 可调胶体光子晶体 2微球')" href="#">SiO₂微球 Bragg反射 光纤     

一种胶体光子晶体修饰的光纤

设计了一种胶体光子晶体修饰的光纤. 采用恒温快速蒸发法直接在经切割刀处理后的光纤端面生长胶体晶体,再与另一根切割后的光纤在毛细玻璃管中完成对接,制备成胶体光子晶体修饰的光纤. 用扫描电子显微镜和光谱分析仪对样品的形貌、结构以及光学特性进行分析. 实验结果表明,粒径为640 nm、体积分数约为0.5%的SiO₂胶体微球溶液在60 ℃的情况下沉积,大约12 h后可得到质量较高的胶体光子晶体. 在SEM下,观察到端面的胶体晶体为面心立方(fcc)结构. 透射光谱证明,该结构在(111)面上     

基于倏逝场微小粒子驱动技术研究进展

处于倏逝场中的微小粒子会受到辐射压力的作用而朝着倏逝场的传播方向运动,基于此原理的微小粒子驱动技术可用于介质颗粒、胶体颗粒、生物细胞等微小粒子的捕获和驱动.由于倏逝场光学微操作系统不会受到物镜焦深和激光光斑尺寸的限制,因此它比自由空间系统的优越性更强,而波导形成的光学力可以应用于长距离驱动,其仅仅受限于系统的散射和吸收...     

Field-induced layer formation in dipolar nanofilms

Using molecular dynamics simulations, we demonstrate that the layering of confined colloidal particles with dipolar interactions, such as ferrofluids, in slablike geometries can be controlled by homogeneous external fields. For suitable surface separations, strong fields directed perpendicular to the film plane do not only align the particles but create additional layers in the system. The reverse effect occurs with an in-plane field which can induce a collapse of layers. Both effects are accompanied by pronounced particle rearrangements in lateral directions. Our simulation results are consistent with recent experiments of ferrofluids at surfaces.     

Versatile ferrofluids based on polyethylene glycol coated iron oxide nanoparticles

Versatile ferrofluids based on polyethylene glycol coated iron oxide nanoparticles were obtained by a facile protocol and thoroughly characterized. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles synthesized using a modified forced hydrolysis method were functionalized with polyethylene glycol silane (PEG silane), precipitated and dried. These functionalized particles are dispersable in a range of solvents and concentrations depending on the desired properties. Examples of tunable properties are magnetic behavior, optical and magneto-optical response, thermal features and rheological behavior. As such, PEG silane functionalized particles represent a platform for the development of new materials that have broad applicability in e.g. biomedical, industrial or photonic environments. Magnetic, optical, magneto-optical, thermal and rheological properties of several ferrofluids based on PEG coated particles with different concentrations of particles dispersed in low molecular mass polyethylene glycol were investigated, establishing the applicability of such materials.     

A colloidal crystal microstructure fiber: fabrication and characterization

A method of fabricating colloidal crystal microstructured fiber is presented. The proposed structure relies on partial etching of the cladding layer of a single-mode fiber and growth of colloidal photonic crystals inside eroded area. The photonic crystal cylindrical annulus embedded in fiber is characterized by optical and scanning electron microscopy. The optical characterization was analyzed by optical transmission spectroscopy. The measurement results show a about 1550-nm band gap. The results also reveal the possibility of cladding cylindrical fibers with three-dimensional photonic crystals.     

Applied electric field to fabricate colloidal crystals with the photonic band-gap in communication waveband

The macropore silica colloidal crystal templates were assembled orderly in a capillary glass tube by an applied electric field method to control silica deposition. In order to achieve the photonic band gap (PBG) of colloidal crystal in optical communication waveband, the diameter of silica microspheres is selected by Bragg diffraction formula. An experiment was designed to test the bandgap of the silica crystal templates. This paper discusses the formation process and the close-packed fashion of the silica colloidal crystal templates was discussed. The surface morphology of the templates was also analyzed. The results showed that the close-packed fashion of silica array templates was face-centered cubic (FCC) structure. The agreement is very good between the experimental data and the theoretical calculation.