液膜电动机的研究

液膜在外加电场和电泳电压下会发生转动,并且液膜旋转的方向和速度可通过外加电场和电泳电压来控制.这种可控的电致流动现象可成为微型离心机、马达等新型器件的物理基础.本文用简单的材料制作了液膜电动机的模型,观察得到了良好的旋转现象,并定性研究了液膜成分、面积及不同电泳电压、电场对液膜旋转的影响.     

对电泳液中颜料粒子运动性能的研究

详细介绍了胶体悬浮液作为一种显示用电泳液时的电学性能,分析了电泳颗粒的运动特征;针对目前有些文献中提到的介电泳现象以及利用介电泳现象制成的无源矩阵驱动方式,从理论角度进行了分析。指出介电泳现象在理论上确实存在,但是绝大多数的电泳液在显示时介电泳现象都很微弱,很难实现廉价、大面积的无源矩阵驱动;最后以一种电泳液为例测试了其反射谱,从实验角度验证了此结论, 并给出了最佳的驱动参数。     

一种新型的圆筒非接触超声马达

提出了一种新型的圆筒非接触超声马达．该马达主要工作在驻波状态下,且仅需单路信号激励。文中给出了马达定子的振动解析,并依此设计定子。当马达稳定转动时,采用激光测振仪测得了马达定子的振动模态。实验表明,单路信号激励下同样可以实现非接触驱动。此外还采用高速摄像机拍摄了马达的起动特性。     

自扩散泳微观转动马达的介观模拟

转动的微尺度马达是一类重要的微流器件.近年来,因为其重要的应用及理论价值引起了学术界的广泛关注.本文提出了一种新型的自扩散泳驱动的微观转动马达模型.通过介观动力学模拟,验证了该模型的有效性.模拟结果表明,该自扩散泳微观转动马达可以单向地自驱动转动,并且转动速度和马达表面发生的催化化学反应速率(即自产生的浓度梯度场强弱)、以及液体分子与马达之间的相互作用有关.此外,研究了两个转动马达共存时的运动行为,重点考察了马达之间的流体力学相互作用和浓度梯度场效应对马达转动的影响.该自扩散泳微观转动马达为设计实用的微流器件提供了新的思路和参考,也为研究活性胶体系统的集体行为提供了理想模型.     

电偶极子在均匀电场中的运动特征研究

电偶极子在均匀电场中受到力矩的作用而发生转动,但由于惯性的存在,电偶极子不会立即静止在平衡位置,而是会在平衡位置附近振动.本文从动力学和能量特征两个方面证实,初始角度较小的情况下,电偶极子做筒谐振动.     

声表面波驱动的非接触式转动马达

在研究摩擦力驱动的接触式转动马达的基础上,本文研制了一种由声表面波驱动的非接触式转动马达.这种马达的定子选用128°YX-LiNbO3晶体,在晶体表面光刻两对叉指换能器,由叉指换能器在定子表面激发两列平行而反向传播的声表面波.定子表面铺一层流体,转子就浮在流体表面.当定子表面有两列平行而反向的声表面波传播时,流体层中就会产生平行而反向的声流,这种黏性流体的声流运动就会驱动转子运动.实验上测定了马达的角速度随驱动电压,流体层厚度以及流体运动黏性系数变化的结果.同时,我们也发现,在相同工作频率下,非接触式转动马达的阈值电压远小于接触式.     

静电场中水分子的扩散与液固相变

扩散与相变是本科阶段基础物理教学的重要内容.本文以体相水分子系统为例,基于分子动力学模拟,研究静电场环境下水分子的扩散和相变.在较小电场强度情况下,水分子表现出显著的大角度跳跃转动,且转动频次随电场呈先增加后减小的非单调行为.这种大角度跳跃转动的反常电场依赖性与水分子扩散系数随电场强度变化的非单调性存在较强相关性.在电场强度较大时,水分子系统发生液固相变,即电致结冰,并观察到了两种冰相沿电场方向的层状混合堆叠结构.该分子动力学模拟有助于学生从微观层次理解分子扩散与相变等物理现象的分子机制,可作为教学实例培养本科生的科研实践能力.     

细菌运动中的物理生物学

细菌是一个包含从分子到宏观多尺度多系统强烈耦合的复杂生物体系.细菌的运动行为在每一个时空尺度都蕴含有丰富的生物和物理学现象.例如,细菌对氧气和很多化合物有很强的应激反应;细菌体内信号传感网络会影响细菌鞭毛马达的转动;纳米尺度的细菌鞭毛马达转动会影响细菌在界面附近的游动、趋化性、积聚、黏附、飞速旋转;单个细菌的活跃状态和环境的物理化学性质又会影响细菌部落的生长过程.微生物膜在空间中的扩张会形成丰富多彩的宏观自组织斑图.细菌运动的物理生物学涉及到力学、流体和统计物理等多个学科的研究范畴.本文分别介绍细菌鞭毛马达、细菌微生物膜的集群运动、细菌在界面的运动以及细菌趋化性和生化信号传感等方面的若干最新研究进展.     

微通道介电泳颗粒流动中的焦耳热分析

微通道中的介电泳颗粒流动是芯片实验室装置的最重要应用之一.生物和医学领域的实际应用中,为获得足够的介电泳颗粒控制能力,在高电导率的电解溶液上施加强电场,而这将引起溶液温度的明显升高.本文建立了介电泳颗粒流动中的电场分布和焦耳热效应的理论模型.对介电泳微通道中电解溶液中的电场与温度场进行了计算,分析了介电泳作用下产生的焦耳热对微通道内温度场的影响.     

电动效应作用下微通道内粒子运动的数值模拟

本文采用有限体积法数值模拟了轴向方波电场和直流电场作用下,具有不同电泳淌度粒子的运动情况.结果表明,在半个方波电场周期内,具有不同电泳淌度的粒子在相同的时间内达到各自的稳定速度,周期变化的方波电场使微粒子在微通道内做往复的运动;在直流电场作用下,两个不同电泳淌度的粒子会在轴向方向上产生位移差.定义从溶液中分离粒子的最短距离与微通道高度的比值为分离效率,数值模拟结果表明,分离效率随横向电场强度和粒子电泳淌度的增加而减小.     

磁场中液氦薄膜表面电子涟波子系统的性质

研究了磁场中液氦薄膜表面电子与涟波子强耦合和弱耦合的性质。采用线性组合算符方法导出磁场中液氦薄膜表面电子 涟波子系统的振动频率和基态能量。讨论磁场对表面电子 涟波子系统的振动频率和基态能量的影响。     

多头螺旋槽管壁面液膜掺混时的流动状态

本文通过建立小流量液体在水平螺旋槽管外壁面液膜强化传热的拟线性模型,得到了壁面液膜发生流体掺混时液膜的厚度分布,并分析了相邻槽道间发生流体掺混的条件,以及发生流体掺混时液膜的形成过程。结果表明:多头螺旋槽管能够提供一个合适的几何倾斜表面,使得液体不仅能够沿着螺旋槽道流动,而且可以越过槽道的前后缘边界汇入下一个槽道,各螺旋槽道之间发生流体的相互掺混,即实现了二次分布,液膜厚度较掺混前更薄且分布更均匀。     

Theoretical analysis of the influence of flexoelectric effect on the defect site in nematic inversion walls

Based on the experimental phenomena of flexoelectric response at defect sites in nematic inversion walls conducted by Kumar et al., we gave the theoretical analysis using the Frank elastic theory. When a direct-current electric field normal to the plane of the substrate is applied to the parallel aligned nematic liquid crystal cell with weak anchoring, the rotation of ± 1 defects in the narrow inversion walls can be exhibited. The free energy of liquid crystal molecules around the +1 and-1 defect sites in the nematic inversion walls under the electric field was formulated and the electric-field-driven structural changes at the defect site characterized by polar and azimuthal angles of the local director were simulated. The results reveal that the deviation of azimuthal angle induced by flexoelectric effect are consistent with the switching of extinction brushes at the +1 and-1 defects obtained in the experiment conducted by Kumar et al.     

液晶在电场和剪切耦合作用下的流变学行为

本文通过理论和实验对液晶 5CB在剪切和电场耦合作用下流变行为进行了研究. 采用液晶连续理论, 建立了包括界面锚定能, 弹性自由能, 介电自由能和流动能在内的系统 Gibbs自由能公式, 通过最小化系统自由能的方法求解液晶在剪切和电场耦合作用下的取向分布及其黏度变化, 从分子基础模型上揭示了液晶在耦合作用下的流变行为、微观机理及其影响规律, 并通过流变测试对此进行验证. 对比分析了理论和试验结果的误差和原因, 发现界面锚定效应对于液晶分子的取向和黏度具有重要影响. 理论和试验结果均表明, 液晶在电场作用下具有明显的电黏效应, 表现出非牛顿流变行为, 其黏度值由剪切和电场的竞争和耦合作用共同决定. 在外电场作用下液晶的黏度可以增加到初始值的 4倍左右, 液晶这种其自身黏度可随着外场 (例如运动速度) 改变的特性在一定的条件下可以自适应地满足不同工况对黏度的要求, 这对实现智能摩擦润滑具有重要的意义. 关键词： 液晶 流变行为 电黏效应 耦合作用     

横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及反射特性的影响

阐述一种理论模型,讨论共面转换（IPS）模式下横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及扭曲角的影响．利用琼斯矩阵法计算了光正入射情况下未加电场时胆甾相液晶的反射谱．在上述模型基础上,计算了施加电场后胆甾相液晶的反射峰值波长以及反射带宽随场强的变化关系．探讨了忽略锚定与强锚定两种边界条件下横向电场对平面织构胆甾相液晶螺距及反射特性的影响．所得结论在理论上证实：共面转换模式下电场可以调谐胆甾相液晶的反射光颜色,从而为基于电控螺距原理的胆甾相液晶反射式彩色显示方案提供了理论上的依据． 关键词： 胆甾相液晶 电控螺距 共面转换 琼斯矩阵法     

DC conductivity of a suspension of insulating particles with internal rotation

We analyse the consequences of Quincke rotation on the conductivity of a suspension. Quincke rotation refers to the spontaneous rotation of insulating particles dispersed in a slightly conducting liquid and subject to a high DC electric field: above a critical field, each particle rotates continuously around itself with an axis pointing in any direction perpendicular to the DC field. When the suspension is subject to an electric field lower than the threshold one, the presence of insulating particles in the host liquid decreases the bulk conductivity since the particles form obstacles to ion migration. But for electric fields higher than the critical one, the particles rotate and facilitate ion migration: the effective conductivity of the suspension is increased. We provide a theoretical analysis of the impact of Quincke rotation on the apparent conductivity of a suspension and we present experimental results obtained with a suspension of PMMA particles dispersed in weakly conducting liquids.     

电场诱导水的太赫兹透射特性研究

许多生物分子自身的转动、振动或分子团的整体振动模式都位于太赫兹波段内,因此可以利用太赫兹光谱技术对生物分子进行检测。同时又由于太赫兹波的光子能量仅为毫电子伏量级,不会对分子的内部结构造成破坏,所以太赫兹时域光谱技术在生物检测方面具有良好的应用前景。众所周知,绝大多数的生物分子只有在液体条件下才能发挥其生物活性,所以研究液体环境下生物分子之间的相互作用就非常必要。然而水分子的转动模式、振动模式以及和氢键有关的能量均处于太赫兹波段,从而对其产生强烈的吸收;另外,水分子为极性分子,而极性分子对太赫兹波有强烈的共振吸收,这就使利用太赫兹技术对生物分子活性进行动态表征产生了困难。因此在研究溶液中的生物分子与太赫兹波的相互作用时,最大限度地减小水分子对太赫兹波的吸收就成为近年来的研究热点。目前,减少水对太赫兹波吸收的主要方法有：在溶液样品中加入抑制氢键缔合的离子来减小水对太赫兹的吸收;通过改变溶液的温度来调节水对太赫兹的吸收;利用微流控芯片技术,通过减小被测样品与太赫兹波的作用距离来减小水对太赫兹波的吸收。另外,激光的激励、电场或磁场的处理,也能改变水对太赫兹波的吸收,将盛有去离子水的微流控芯片放于电场中,研究经电场处理不同时间的去离子水对太赫兹吸收强度的影响。结果发现,太赫兹波的透射强度随着去离子水在电场当中静置时间的增加而增强,当在电场中静置60 min时,太赫兹的频谱强度达到最大,与空气的频谱强度接近。由此可以推断外加电场使水分子的偶极矩发生了变化,从而对整体水分子的振动和转动产生了影响,并且改变了水中的氢键结构,导致了太赫兹透射光谱强度的增强。     

Patterns at the onset of electroconvection in freely suspended smectic films

We report the results of experiments on electrically driven convection that occurs in a thin, freely suspended film of smectic A liquid crystal when an electric field is applied in the plane of the film. Convection in a vortex pattern is found above a well-defined critical voltage. The film behaves as a two-dimensional isotropic liquid: neither its thickness nor the director field are modified by the flow. We present measurements of the critical voltage at the onset of convection in two experimental configurations—one which allows the injection of charges into the film from the electrodes, and one which does not. When injection is present, the critical voltage for the onset of flow increases monotonically with increasing frequency of applied field. With no injection, there is no instability at DC and the critical voltage diverges there. The nature of the flow pattern observed at onset changes with frequency. Below a certain frequency the film flows in vortices that extend over the width of the film; above this frequency the flow is confined to two lines of smaller vortices localized along the electrodes. We present a simple discussion of the mechanisms which drive the convection.     

Control of two-dimensional motion of microparticles in nematic liquid crystal

The possibility of controlling two-dimensional motion of dielectric microparticles in the channel filledwith nematic liquid crystalwas experimentally shown. It was found that particle motion along the electric field occurs by means of the electrophoresis phenomenon. Particle motion along electrodes perpendicularly to the electric field is caused by the combination of two effects, i.e., the backflow and Quincke rotation.     

Study on the temperature distribution of heated falling liquid films

A 2-D theoretical model was derived to present the temperature distribution of falling liquid films flowing over a vertical heated/cooled plate with constant temperature. And the temperature gradients for different flow rates and fluids were also discussed for different liquid films. The temperature distributions for liquid films of water, ethanol aqueous solutions and glycerol aqueous solutions were experimentally investigated with a sensitive thermal imaging system. It is found that the surface temperature of a film flowing over a vertical heated solid plate has a characteristic relationship with the film flow distance. A lower flow rate of the film or a higher temperature of the wall generally leads to a higher surface temperature in the film inception. For films of glycerol aqueous solutions under the same heating conditions, a lower glycerol concentration causes a higher surface temperature of the film, due to the decrease of the liquid viscosity, whereas the ethanol concentration is found to have little influence on the temperature distribution of the film surface. Comparisons of the experimental data and the theoretical model show that the model can adequately describe the surface temperature distribution of a heated falling liquid film.