Mechanics of biomolecules

Over the last few years molecular biomechanics has emerged as a new field in which theoretical and experimental studies of the mechanics of proteins and nucleic acids have become a focus, and the importance of mechanical forces and motions to the fundamentals of biology and biochemistry has begun to be recognized. In particular, single-molecule biomechanics of DNA extension, bending and twisting; protein domain motion, deformation and unfolding; and the generation of mechanical forces and motions by biomolecular motors has become a new frontier in life sciences. There is an increasing need for a more systematic study of the basic issues involved in molecular biomechanics, and a more active participation of researchers in applied mechanics. Here we review some of the advances in this field over the last few years, explore the connection between mechanics and biochemistry, and discuss the concepts, issues, approaches and challenges, aiming to stimulating a broader interest in developing molecular biomechanics.     

固体力学与材料科学交缘的几个新课题

固体力学与材料科学的交缘是当今力学学科发展的一种新趋势．先进材料的研制与发展,引发了固体力学家对丰富多采的材料的微结构变形与损伤过程进行定量力学描述的浓厚兴趣．本文综述了下列三个固体力学与材料科学交缘的新课题:①微电子材料与组件力学;②材料强韧化力学,③多相介质的界面力学．并对这一交缘学科的发展趋势进行了简要的评介与展望．      

生物力学进展和趋向(续)

三、运动关节力学运动关节(diarthrodial joint)的功能在于使动物能灵巧地运动肢体。译成力学术语就是:传递载荷,吸收冲击、振动,承受相当高的应力,且运动时摩擦系数很小。L.L.Malcom曾精细地测量过牛肱关节的摩擦系数,在正应力1—20kg/cm~2的范围内,动摩擦系数为0.0025—0.0040,而最好的工程材料的摩擦系数为0.01—0.05,整整差一个量级。      

植物细胞力学模型研究进展

植物细胞在结构上具有特殊性, 即细胞壁和胞内物质在力学性质上差异很大. 因此其力学模型的研究具有特殊意义. 植物细胞力学模型是植物组织力学行为的研究基础, 是连接宏观与微观生物力学发展的桥梁, 在农业和食品加工等领域中有重要的潜在应用价值. 本文就目前国际上在细胞力学模型研究中所采用的模型形式和理论分析与数值模拟等方法做较全面而简要的介绍, 并对本领域中存在的现实问题加以论述, 希望能够对我国在细胞力学领域的研究有所帮助.      

Mechanopathology of red blood cell diseases — Why mechanics matters

During the onset of a disease a cell may experience alterations in both the composition and organization of its cellular and molecular structures. These alterations may eventually lead to changes in its geometrical and mechanical properties such as cell size and shape, deformability and adhesion. As such, knowing how diseased cells respond to mechanical forces can reveal ways by which they differ from healthy ones. Here, we will present biomechanistic insights into red blood cell related diseases that manifest mechanical property changes and how they directly contribute to the pathophysiology of diseases. By conducting cell and molecular mechanics studies, not only can we elucidate changes in the structure-property-function relationship of diseased cells, we can also exploit the new knowledge gained to develop biomechanics based devices that may better detect and diagnose these diseases as well as help identify important biomechanical targets for possible therapeutic interventions.     

针尖的分子生物物理力学研究进展

围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物力学与力 - 电耦合实验研究, 较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展, 进而探讨了在``针尖'这个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况.通过介绍借助探针技术研究相关生物物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型, 指出探针技术在生物分子（包括遗传物质和蛋白质）力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义.提出多场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点;将针尖的分子生物力学的物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合, 发展分子物理力学虚拟实验技术是本领域的一个重要发展方向.      

STRENGTH, PLASTICITY, INTERLAYER INTERACTIONS AND PHASE TRANSITION OF LOW-DIMENSIONAL NANOMATERIALS UNDER MULTIPLE FIELDS

Atoms are hold together to form different materials and devices through short range interactions such as chemical bonds and long range interactions such as the van der Waals force and electromagnetic i...     

节理裂隙岩体损伤力学研究中的若干问题

节理裂隙岩体损伤力学的研究与应用有着很好的发展前景。但作为一种经历并隐含了复杂的应力、变形及损伤历史的地质体,节理裂隙岩体在物理、力学特征上较一般工程材料具有更显著的随机性、特殊性和复杂性,因而,在其损伤力学研究中有不少基本的、重要的问题还没有解决。本文根据笔者近年来的研究体会,列举了该研究领域的若干重要问题,并就其可能的解决途径与发展趋势提出了一些初步的看法。损伤力学,节理岩体,岩体力学,损伤,断裂      

胞质分裂力学及其分子生物学机制的研究

胞质分裂通过一系列的形态学变化使母细胞一分为二生成两个子细胞,几乎整个胞质分裂过程都伴随着力学现象.形成刚度或黏弹性互不相同的区域对细胞形态的改变至关重要,特殊肌动蛋白与交联蛋白是导致细胞局部刚度改变的重要因素.因此有必要深入理解细胞如何变形、以及促进细胞变形的材料特性及其分子生物学基础.本文将针对细胞的力学特性、胞质分裂中的力学现象以及分子生物学基础进行讨论.      

细胞粘附的生物力学研究进展

介绍了细胞粘附的生物力学领域的进展和基本概念,对生物力学中这一新领域的研究进行了评价．同时对力学分析方法和试验方法给予评论,而这些方法示明：细胞粘附的生物力学研究趋势是从细胞力学至分子力学,而在不久将来将进入微观力学范畴     

高速切削实验平台在力学实验教学中的应用

传统的力学实验已无法满足研究生创新性实验教学的需要。为了使研究生在科学研究中掌握实验分析的基本方法和技能,本文基于Hopkinson压杆加载技术建立了一套高速切削实验系统。该实验系统作为一个科研平台,能够实现切削过程的瞬态冻结并完成变形场和切削力的实时测量,可为高速切削机理研究提供基础实验数据。同时,该实验系统也是一个综合性的实验平台。基于该平台,可以完成金相分析、光栅光纤测力、变形场测量以及塑性本构分析等力学实验教学。高速切削实验平台将力学实验与科学研究相结合,有利于培养研究生独立分析与研究的能力,为研究生未来的科研工作打下基础。     

Specific adhesion of a soft elastic body on a wavy surface

This paper aims at developing a stochastic-elastic model of a soft elastic body adhering on a wavy surface via a patch of molecular bonds. The elastic deformation of the system is modeled by using continuum contact mechanics, while the stochastic behavior of adhesive bonds is modeled by using Bell's type of exponential bond association/dissociation rates. It is found that for sufficiently small adhesion patch size or stress concentration index, the adhesion strength is insensitive to the wavelength but decreases with the amplitude of surface undulation, and that for large adhesion patch size or stress concentration index, there exist optimal values of the surface wavelength and amplitude for maximum adhesion strength.     

预延伸非晶聚合物材料各向异性变形局部化

给出一种可描述预延伸各向异性特性的背应力张量三维表达式，引入大变形弹塑性有限元驱动应力法，结合ＢＰＡ８ 链细观分子网络模型，模拟了预延伸各向异性非晶聚合物材料平面应变拉伸变形局部化力学行为．详细讨论了预延伸比（ＩｎｉｔｉａｌＤｒａｗｉｎｇＲａｔｉｏ；ＩＤＲ）和预延伸方向（ＩｎｉｔｉａｌＤｒａｗｉｎｇＤｉｒｅｃｔｉｏｎ；ＩＤＤ）对变形抗力、颈缩规律、剪切带方向以及试件中心部位链延伸比的影响．     

针尖的化学物理力学研究

扫描探针显微镜的发明, 使人们了解纳米、分子和原子尺度的超微结构, 探测原子、分子间的力、电、磁及其复杂的物理和化学性质, 以及进行单原子、单分子操纵 成为现实. 本文从探针技术与表面化学物理力学耦合的角度出发, 首先对针尖的化学物理力 学研究领域进行了概述, 接着介绍了针尖的几种重要的化学修饰方法, 包括金属薄膜、自组 装单分子膜、胶体粒子及碳纳米管修饰; 然后以理论与实验结合的方式介绍了几个研究活跃 的领域: 表面力及分子间力(主要包括Van der Waals力, 双电层力, 憎水亲合力, Casimir力和单键力等)的理论描述与测量, 针尖的化 学物理力学在化学力滴定和表面化学识别等研究中的应用. 讨论了针尖与基底材料对测量力 的影响. 而这些复杂的原子、分子相互作用和物理、化学、力学及生物特性的实现均发生于 小小针尖上, 由此我们提出了``针尖力学'的概念. 并且指出多场(如电场、磁场、超声、 微波等)作用下, 针尖的化学物理力学研究将成为力学交叉学科研究的重点和热点.     

ON AN INTERDISCIPLINARY TEACHING METHOD OF FLUID MECHANICS AND OTHER MECHANICS RELATED COURSES1)

流体力学是力学和机械等专业本科生的一门专业基础课。由于其涉及数学、物理的概念多、公式复杂、理论抽象而实际应用广,是公认的难教、难学的课程之一。笔者提出了将流体力学与理论力学、材料力学、电动力学等其他力学课程交叉教学的方法,充分利用各门力学课程知识间的联系,使得学生在学习流体力学的同时复习其他力学的知识,通过对比深化理解流体、固体、刚体和电磁场,最终获得对力学学科的整体视野,增强教学效果。     

Inflation analyses of a circular elastomeric membrane with hydrostatic pressure

Composite diaphragm inflation (CDI) experiment is a useful methodology for exploring the mechanics relation of cell-cell junctions within a living epithelial sheet. In this paper, a new methodology of CDI experiment has been put forward. The finite deformation of a circular polydimezhylsiloxane elastomeric membrane, which is used as the substrate for the culture of epithelial cells, under hydrostatic pressure is explored by the theory of non-linear continuum mechanics. The simplified governing equations with minimum amount of differential equations and boundary conditions are obtained and solved by multiple shooting method. The influences on the membrane by hydrostatic pressure have been discussed.     

复合材料层合板壳非线性力学的研究进展

复合材料层合板壳是由多种组分材料组合而成.与单一材料的板壳结构相比,它无明确的材料主方向,各层间材料间断和不连续,具有明显的几何非线性和材料非线性等新的特点.其失效模式也远比单一材料的情况复杂,具有如基体开裂、脱胶、分层、分层裂纹偏转、多分层以及分层传播等多种模式.各国学者基于不同的考虑,提出了多种方法研究复合材料层合板壳的失效.首先,在简要介绍了层合板壳线性力学基本理论的基础上,重点回顾了层合板壳结构非线性力学几种基本理论发展的过程,主要阐述了经典大挠度非线性理论、一阶剪切变形理论、高阶剪切变形理论、锯齿理论、广义分层理论的理论体系及基本公式,并对几种理论之间的联系和差异进行了总结;其次,介绍了当前层合结构非线性领域的研究进展,综述了典型复合材料板壳结构的失效机理及优化设计、复合材料板壳结构在复杂环境下的破坏机理、复合材料板壳结构的物理非线性、含脱层纤维增强复合材料板壳结构的破坏机理等各研究热点的最新研究成果;最后,对该领域未来的研究方向进行了展望.     

GEOMETRIC AND MATHEMATICAL ANALYSIS OF THE ASSUMPTION OF SMALL DEFORMATION1)

小变形是材料力学最基本的概念之一。材料力学中众多的推理和演绎都是在小变形假设条件下完成的, 若对概念的认识不清晰, 会得到错误的结果。本文通过某超静定结构建立变形协调方程的过程中, 将同一小变形假设应用于不同的几何关系却得到不同的变形协调方程的例子, 指出了小变形假设使用中的误区所在, 并进一步通过几何和数学分析辨析了小变形假设的本质、含义及应用条件, 澄清误解, 为今后类似小变形概念的应用提供了理论保证。     

非线性力学与计算

本文阐述了计算在非线性力学中的地位与作用,并分析了在非线性力学计算中可能遇到的数学问题。列举了在非线性力学若干研究领域中的前沿课题,还探讨了如何充分利用计算机功能与资源的问题。      

Trans-scale mechanics： looking for the missing links between continuum and micro/nanoscopic reality

Problems involving coupled multiple space and time scales offer a real challenge for conventional frame-works of either particle or continuum mechanics. In this paper, four cases studies （shear band formation in bulk metallic glasses, spallation resulting from stress wave, interaction between a probe tip and sample, the simulation of nanoindentation with molecular statistical thermodynamics） are provided to illustrate the three levels of trans-scale problems （problems due to various physical mechanisms at macro-level, problems due to micro-structural evolution at macro/micro-level, problems due to the coupling of atoms/ molecules and a finite size body at micro/nano-level） and their formulations. Accordingly, non-equilibrium statistical mechanics, coupled trans-scale equations and simultaneous solutions, and trans-scale algorithms based on atomic/molecular interaction are suggested as the three possible modes of trans-scale mechanics.