纳米力学进展

概述在固态下纳米力学的若干研究内容.首先对纳米力学及其范畴 进行界定，然后介绍纳米力学方法，包括属于纳观计算力学范畴的大规 模分子动力学算法、连续介质/分子动力学交叠层算法、准连续介质算法 和LMPM方法；及属于纳观实验力学范畴的纳米云纹法和纳米压痕法.随即 阐述纳米力学的新兴研究领域：包括纳米晶体的超塑性变形、纳观断裂 力学、纳米管力学和纳米压痕力学.     

纳米力学的数值模拟方法

纳米力学是一支新兴学科,主要研究100nm以下尺度上物质的行为和变化规律.物质在纳米尺度上所具有的特殊效应如量子效应、微尺度效应等导致了其特异的性能和行为.人们对纳米力学行为的认识,目前主要通过试验观测和数值模拟等方法.本文概要回顾了分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟等纳米力学计算方法的研究进展及现状,提出了以量子力学为基础、多学科交叉、多层次融合发展纳米力学研究方法的构思,并对纳米力学研究方法所面临的问题及其发展趋势做了初步展望.      

基因芯片纳米力学行为的能量模型

本文利用能量法研究了无标记生物检测中基因芯片的纳米力学行为.首先,在考虑微悬臂梁机械能和基因层静电能、构型熵、渗透能的情况下,借助Strey通过实验得到的双链DNA(dsDNA)自由能的经验势,建立了DNA纳观几何、物理、化学特征以及芯片几何尺寸、宏观力学性能等因素与基因芯片总能量之间的关系.其次,利用能量最小原理预测了Wu实验中基因芯片的纳米挠度响应.数值计算结果与Wu的实验数据比较表明,芯片的弯曲挠度随着DNA链长的增长而增加,且数值结果与实验数据吻合良好;同时四层梁模型和两层梁模型的比较表明,金层和铬层对芯片纳米挠度的影响不可忽略.     

纳观分形粗糙表面的建模分析

采用删除原子法对纳观粗糙表面的建模进行了研究.研究表明:利用含有原子、晶格等信息的标准data文件,根据边界特性删除原子,结合分形理论,可建立出具有分形粗糙特征的纳观模型.由W-M分形函数决定的粗糙表面,以最小的晶面距离作为扫描间距时,易出现含有孤立原子列的不合理结构,为了后续粗糙面纳观摩擦接触模拟分析,可通过傅里叶变换及滤波处理消除孤立的原子列,但滤波处理会导致某些分形特征的消失,通过适当增大滤波器的通带半径,再利用能量最小化的方法优化初始结构,可保留粗糙面原有的分形特征.试验表明,该方法能有效建立与实际表面相符的纳观分形粗糙面数字化表征模型.     

现代技术中的高级实验力学

给出了正在形成的高级实验力学体系(分析和实验方法的理论与技术)的总体轮廓,并用实际例子说明了现代枝术与现代社会的需要、物理学的新进展、材料本构方程研究的趋势、分析力学的新进展及高级实验力学的概念与方法等众多方面间的相互依存关系。     

物理力学与纳米科技的多学科交叉——"物理力学与纳米科技的多学科交叉若干问题青年学者研讨会"介绍

纳米科技，生命科学／生物技术，信息科学与技术是进入是进入21世纪以来最具影响力的三个重要研究领域。在纳米尺度上，这些领域紧密关联，且物理，化学，力学，材料学，生物，微电子学等学科的交叉合作变得比以往任何时候都更为必要。在国家自然科学基金委员会的发起和支持下，“物理力学与纳米科技的多学科交叉若干问题青年学者研讨会”于2002年10月在北京召开。本文介绍了这次会议的召开背景和动机，31个报告的主要内容和与会代表在学科交叉研究等方面的体会和看法。     

先进微制造力学

元器件小型化带来了功耗低、响应快、比容量大等显著优点,但同时也带来了新的技术挑战和科学问题,需要对微纳尺度下材料的机械物理性能及制造工艺进行深入研究。论文围绕先进微纳米制造技术与微纳米力学的密切关系,首先综述了聚焦离子束、纳米压印、3D打印等微纳米材料与结构的先进制造技术,并着重阐述了先进微纳米制造技术在力学前沿课题研究中的重要作用;另一方面,从方法与原理的角度阐述了力学思想和方法对先进微纳米制造技术的指导与促进作用。最后,还对目前一些先进微纳米制造技术及相关前沿力学问题进行了展望。     

单壁碳纳米管屈曲的原子/连续介质混合模型

用数学和力学研究所，上海 200072)//力学学报.--2004,36(6).--744～748 提供了一种运用原子/连续介质混合(hybrid atomic/continuum,HAC)方法解决纳米力学问题的思路. 通过在连续介质力学模型中引入利用分子力学方法获得物性参数，建立了预测单壁碳纳米管临界屈曲参数的HAC模型. 结果表明, HAC模型具有与连续介质力学模型可比拟的简洁性, 同时可表征纳米管微观结构特征对屈曲参数的影响. 计算结果表明，Zigzag纳米管的抗屈曲性能优于Armchair纳米管. 基于Tersoff-Brenner作用势的分子动力学结果证实了这一结论.     

非均匀材料力学: 学术思想及研究趋势

针对非均匀材料力学当前的8个前沿性课题,以各国科学家在第一届国际非均匀材料力学会议(ICHMM)相关专题讨论会上的发言及总结为红线,介绍了当前国际上在材料/固体力学交叉领域内的一些新的学术思想及研究方向.对多尺度模拟, 新的计算方法,纳米力学,微结构概率力学,广义连续介质力学理论,材料设计,多孔材料和材料就位特性的试验技术等的综合性叙述,阐明了非均匀材料力学的一些新的生长点及其发展方法与前景.      

基因芯片纳米挠度和表面应力的解析预测

本文利用能量法解析分析了无标记生物检测中基因芯片的纳米力学行为.首先,考虑微悬臂梁机械能和基因层静电能、水合能和构型熵,建立了基因芯片能量模型,并采用泰勒级数展开法.获得了能量势的一阶近似式.其次,利用能量最小原理,得到了芯片稳态弯曲的曲率半径、纳米挠度和表面应力的解析表达式,从而克服了求解多极值能量泛函数值解的困难.最后,预测了DNA的链长和种植密度对芯片纳米力学行为的影响,同时将表面应力的解析预测结果与有关实验数据进行了比较,证明了本文方法的可靠性.     

基于光学和探针技术的微纳米固体实验力学研究进展

本文综述了近期微纳米固体实验力学在检测技术和设备平台方面的进展,尤其是基于光学和扫描探针平台的实验技术、方法和相关应用。探讨了不同检测技术的优势以及局限性,涉及微纳米实验力学检测中夹持、加载以及微力与微变形的检测与识别。通过相关的研究事例,介绍巧妙、创新的检测技术和系统在微纳米实验中的重要性,以及微尺度检测中所特有的检测系统与检测对象间的耦合关联等特点。     

PVC/纳米Al2O3复合材料的力学性能研究

通过熔融共混方法制备了PVC/纳米Al2O3复合材料,研究了纳米粒子对PVC的增强、增韧效果。采用细观力学方法理论上求解了纳米复合材料的有效弹性模量,比较并分析了试验值和理论计算值的偏差。     

二维材料实验力学综述

以石墨烯为代表的二维材料因其原子级厚度、独特物理性质,成为近年来物理、化学、材料交叉学科的研究热点,在合成制备、结构表征、应用开发等方面的研究工作表明其在微纳机电系统、光电器件与功能复合材料领域有广泛且重要的应用前景。然而,由于二维材料结构与尺度的独特性,在其基本物性的理解方面仍存在许多未解决的问题,尤其是力学性能的表征,面临着诸多挑战。本文综述了二维材料本征力学性质和界面力学行为的微纳测试与表征技术的最新进展,例如纳米压痕技术、微孔鼓泡法等,并详细探讨了影响二维材料力学性能及行为的主要因素,分析了其微观尺度下的作用机制,以期通过物理或化学手段实现力学性能的调控。     

基于箭形累积损伤的裂纹尖端力学:奇异性分级和多尺度分段

在适度的空间和时间尺度组合下,裂纹既可在几个月中蠕变几个纳米,也能在几秒钟内扩展10km.虽然裂纹的尖端没有实际的质量,但是它能通过激活周围的物质而处于高能量状态.依赖于材料的损伤方向,激活质量的减少和增加可发生在尺度转变之前或之后.每个尺度区的分段阈值被假定为与裂纹尖端速度的平方a~2和激活质量密度M的乘积有关:W=M_(↓↑)a_(↑↓)~2和D=M~(↓↑)a_(↑↓)~2.W和D分别被称为直接吸收和自耗散能量密度.正如下标/上标符号所示,激活的质量密度M_(↓↑)和M~(↓↑)与裂纹尖端速度a变化趋势相反,既可增加也可减少.a~2和M的互补效应隐含着常用于宇宙物理学建模的膨胀和/或收缩的物理过程.在用于尺度敏感的裂纹尖端的行为时,激活的质量密度有相同的解释.分段时的多尺度可以由…皮观、纳观、微观和宏观…组成.因此,形象地说,材料损伤过程可以通过裂纹扩展过程中非均匀的总体和局部能量的传递来模拟.疲劳裂纹扩展引起的材料损伤被用来阐释由大到小和由慢到快的尺度/时间序,热力学中的冷→热和有序→无序转换.这一过程正巧与宇宙演化的箭形方向相反,宇宙演化遵循小→大和快→慢,而热力学相反,遵循热→冷和无序→有序.为了表示由损伤萌生所造成的类裂缝型缺陷的不均匀性,提出了一个被称为裂纹尖端力学(crack tip mechanics,CTM)的新模式.涉及的范围是模拟原子列之间的界面裂纹或连续体中分叉的切口.假如需要的话,尺寸和时间的范围可以复盖从皮观到宏观甚至更大.虽然采用疲劳裂纹来说明CTM的基本原理,在宇宙物理学背景中与直接吸收和自耗散相关的膨胀和收缩的情况可以描述裂纹周围激活质量的行为,它们可看为能量的汇或源.奇异性被用来捕获能量的源或汇的特性,物理上,两者作为界面的一部分,从数学上看则是不连续的线的一部分.能量从一种形式变为另一种形式取决于能量吸收或耗散的箭形损伤时间,这之中牵涉到尺度分段和奇异性强度的联合应用.材料组分随时间的劣化是根据指定的设计寿命导出的,从而使材料的响应与加载率的时间历史匹配.2024-T3铝板的皮观/纳观/微观/宏观开裂模型用来说明什么地方可以增加结构的寿命部分.皮观/纳观/微观/宏观/结构系统的性能随时间劣化可以用9个尺度转变物理参数来描述:纳观/微观区有3个(μ_(na/mi)~*,σ_(na/mi)~*,d_(na/mi)~*),微观/宏观区有3个(μ_(mi/ma)~*,σ_(mi/ma)~*,d_(mi/ma)~*),皮观/纳观区有3个(μ_(pi/na)~*,σ_(pi/na)~*,d_(pi/na)~*).下标pi,na,mi,ma和struc分别表示皮观、纳观、微观、宏观和结构.只要知道两个相连的尺度敏感参数,在较低尺度的时间相关的局部物理参数就完成了分析连续体的形式论,虽然它们并不需要用实验来知道.更具体地说,根据皮观→纳观→微观→宏观分别有1.25/1.00/0.75/0.50的λ奇异性强度,皮观裂纹、纳观裂纹、微观裂纹和宏观裂纹的转变特征是从时间箭形的指定的寿命预期来确定的.附加的0.25强度的奇异性可用于结构元件.回想起来,λ=0.5相应于断裂力学中的应力分量与r~(0.5)成反比,r是与宏观裂纹尖端的距离.微观裂纹、纳观裂纹和皮观裂纹分别赋予r~(-0.75),r~(-1.0),r~(-1.25)的奇异性.箭形时间(以年为单位)取决于问题的定义.设备的关键部件可用1.5~±/2.5~±/3.5~±/5.5~±寿命分布和总寿命为13~±年(a)的皮观/纳观/微观/宏观尺度来设计运行.上标±表示多于或少于实际运行的时间.累进损伤被假定为发生在皮观→纳观→微观→宏观方向.同样的方案用于20年总寿命的2024-T3铝板的疲劳损伤,按照1.5~±/2.5~±/3.5~±/5.5~±/7.0~±的方式将它的寿命分布在皮观、纳观、微观、宏观和结构的尺度上,这样的指定只是满足在每个尺度范围内损伤内部材料结构所用的能量匹配,因此可以强制执行在总寿命的跨度内精确的时间相关的材料性能劣化过程.     

从生物力学到力学生物学的进展

本文介绍了现代生物力学的发展历程和冯元帧先生的贡献、力学生物学的概念与发展以及我国生物力学的发展历程和力学生物学的研究新进展;思考了从生物力学到力学生物学的进展与现状;展望了我国生物力学学科发展的愿景.     

碳纳米管的力学

在发现碳纳米管后不久,对于这些有趣结构的力学性质--包括高强度、高硬度、低密度和结构的完美性的理论预测,使人们认识到它们可能具有理想的科技应用价值.对这些预测的实验验证或个别验伪以及大量基于不同模型的计算机模拟方法,使得逾10年来对碳纳米管力学的理解日趋深入但远未达到尽头.本文回顾了理论预测,并对这种微小结构的观察和操作中经常用到的富有挑战性的实验技术进行了讨论.略述了采用的计算方法包括从头算法量子力学模拟、经典分子动力学和连续介质模型.多尺度和多物理模型的发展和模拟工具自然而然作为连接基础科学问题和工程应用的结果而出现,而这个主题仍然正在抓紧研究中.这里介绍了研究此主题的一些方法.注意力主要集中于研究力学性质的揭示方面,如杨氏模量、弯曲刚度、屈曲准则、拉伸和压缩强度.最后,讨论了利用这些性质的几个令人兴奋的应用例子,包括纳米绳束、填充的纳米管、纳米机电系统、纳米传感器和纳米管增强复合材料,引用了349篇参考文献. 图41参349     

材料构型力学及其在复杂缺陷系统中的应用

基于材料构型力学描述复杂缺陷力学系统中的破坏行为, 可以为预测材料临界失效载荷和评估结构完整性提供新的思路. 首先, 通过对拉格朗日能量密度函数的梯度、散度、旋度操作分别获取3 类材料构型应力张量的定义式、平衡方程、物理意义以及其对应的守恒积分表达式. 其次, 基于材料构型力学概念建立描述材料屈服的屈服准则、预测裂纹起裂的断裂准则、以及评估复杂缺陷系统最终失效的破坏准则. 然后, 利用数字散斑图像相关技术, 开发材料构型力学相关参量的无损测量方法. 最后, 将材料构型力学概念应用于纳米损伤力学和铁电多晶材料的断裂力学中, 为此类新型材料的损伤水平评估提供理论支撑.      

计算力学学科发展刍议

简要回顾我国计算力学学科的发展,着重从模型的建立、算法研究和计算力学软件开发应用三个方面论述了计算力学的研究方向。     

征稿简则

1.《力学进展》是由中国科学院主管,中国科学院力学研究所和中国力学学会联合主办的,以刊登综述性评论文章为主的综合性学术期刊.其宗旨是为促进力学学科的发展和力学人才的成长服务.它的读者对象是力学及相关学科领域的科研、工程技术和决策管理人员以及高等院校师生. 2.本刊既着重反映力学前沿的重要进展,新兴领域中的活跃状态,以及力学与其它学科交叉的研究进展,也反映那些历史较为悠久的分支学科中的新进展.文章形式多样,主要包括:     

细观力学和细观损伤力学

本文扼要地阐述细观力学的定义和范畴;探索其主要研究课题和应用领域,展示细观损伤力学的新进展;并对细观力学的未来发展趋势加以展望。