热声驱动摩擦纳米发电机研究

热声发动机作为一种新型的外燃式热机,具有可靠性高、使用寿命长、环境友好等优点,在热声发电、热驱动制冷等领域具有重要应用前景。本文结合热声技术和摩擦纳米发电技术的特点,首次提出了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一热-声-电换能新流程。理论计算了驻波热声发动机和接触分离式摩擦纳米发电机采用末端耦合结构时的换能特性,并开展了系统实验研究。实验中,热声驱动摩擦纳米发电机获得了最高10 V的开路电压输出;在外接电阻为400 MΩ时,最高输出功率为0.008μW,验证了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一概念的可行性。     

摩擦不对称耦合布朗马达的定向输运

本文研究了耦合布朗马达在溶液摩擦对称性破缺条件下的定向输运问题.详细讨论了溶液阻尼系数比,周期外力以及耦合作用对布朗粒子定向输运的影响.研究发现:溶液摩擦的不对称性不仅能促进摩擦棘轮的定向输运,且合适的溶液阻尼系数比还可以使耦合棘轮的定向输运达到最强.此外,一定摩擦阻尼条件下外力振幅可以使耦合粒子的定向输运呈现多峰结构.研究还发现合适的自由长度和耦合强度也能增强摩擦棘轮的输运特性.研究结果不仅能够启发实验上选取合适的摩擦阻尼来优化布朗马达的输运,也可为信息容量大、反应速度快的纳米器件的制备提供一定的理论参考.     

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.     

压电超声马达的摩擦和噪声

对一种基于弯曲振动模式压电超声马达中的突出问题──摩擦、噪声及其对马达性能的影响进行了研究．考察了马达转子摩擦材料、转子与定子之间的压力、工作频率、电路匹配等因素对马达运转噪声、转速力矩输出和运转平稳性等的影响．实验结果揭示,马达运转噪声除了与摩擦材料有密切关系外,还与其它诸多因素有关．实验中还发现,改变定子与转子之间的压力,不仅马达噪声大小会发生变化,而且噪声的主频成分也会改变．     

体相微马达双气泡聚并驱动的界面演化机制

微纳米马达是建立微流体环境与宏观操控的桥梁,气泡微马达的驱动速度高,这一优势在实际应用中不可替代.管式气泡马达适用于复杂场景但能量转化率低,气泡驱动的Janus微球马达效率高但仅适用于气液界面附近.鉴于此,本文提出通过双气泡聚并方式驱动Janus微球马达的新体系,调和了高能量转化率与界面受限的矛盾.在实验中,借助高速摄像记录了双气泡聚并驱动微马达的～100μs级过程,气泡聚并紧邻微球发生,通过释放的能量驱动微球显著运动,其融合过程是独特的可动曲壁受限下的气液界面演化问题.进一步结合伪势格子Boltzmann数值方法探究了气泡聚并驱动的流体动力学机制.研究结果揭示了不同时段气泡聚并的细节,给出了气泡颗粒尺寸比等因素对微球位移、初始动能转换率的影响,确认了双气泡聚并释放表面能的高效驱动机制.     

微机械纳米接触连续方法的建模和计算

为解决微机械中"微碰撞"、"纳米接触"问题,建立了纳米接触的刚性球-面模型,根据Hamaker3个假设和Lennard Jones势,利用连续方法推导出球同平面第1和第N层原子之间的作用力表达式,仿真出粘着力同原子层之间的关系,得出影响纳米接触的主要原子为接触区域少数几层原子的结论,从而为纳米接触、纳米摩擦的进-步研究提供理论基础.     

参量共振单摆的理论与实验研究

为了将参量共振引入基础物理实验教学,搭建了参量驱动单摆实验系统,并从理论和实验上研究了平衡点附近的运动.理论上,利用微扰方法计算了轨道的一般形式,在此基础上确定了参量共振带的边界,并得到了轨道特征量与驱动参量(频率与幅度)的依赖关系.实验上,利用2个一维激光位移传感器组装成二维位移传感器,实现了单摆轨迹的实时测量.在参量共振带内,测量了不同驱动频率下的轨道发散指数和振子-驱动相位差;在参量共振带的中心,测量了发散指数与驱动幅度之间的关系;在参量共振带的外边缘,测量了轨道包络的拍频和调制深度与驱动频率的关系.所有测量结果都与一阶微扰计算符合良好.     

基于COMSOL模拟的球形摩擦纳米发电机的发电特性

通过COMSOL Multiphysics有限元模拟软件,研究了以铝片和聚四氟乙烯(PTFE)小球为材料的球形摩擦纳米发电机的发电过程和发电特性.通过合理设置参量,模拟球形摩擦纳米发电机发电过程中空间电势的变化情况,显示了电荷被驱动的过程;通过控制变量法,研究了该球形摩擦纳米发电机的开路电压对PTFE小球的数目和尺寸、铝片的数目等因素的依赖关系.研究结果表明:三维球形摩擦发电机可以搜集全方位的机械能,小球在球壳内部空间位置的运动,导致连接不同铝片的电路中的电荷转移,从而引起空间电势的改变,产生交流电信号,即把小球运动的机械能转化为电能.不同铝片之间的开路电压随小球半径的增大、小球数目的增加或铝片数目的增加都呈现出先增加后减小的变化规律.     

石墨烯层间纳米摩擦性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了纳米尺度下石墨烯层间摩擦现象, 探讨了对称和非对称两种情况下双层石墨烯层间沿不同方向的摩擦性质. 研究发现对于对称的双层石墨烯, 层间摩擦沿不同方向同性; 摩擦因数依赖于正压力, 随正压力增大, 摩擦因数的变化曲线分为三个阶段, 在较小以及较大压力下, 摩擦因数遵循Amonton法则不随压力变化而变化; 而在中间3-6 nN阶段, 摩擦因数随压力增加线性增加. 整个研究压力范围内摩擦因数在0.05-0.25之间. 对于非对称性双层石墨烯层间摩擦, 不同压力下摩擦因数在0.006上下波动, 摩擦因数较两层对称性石墨烯大大降低. 上述研究结果与实验一致.     

基于纳米发电机的触觉传感在柔性可穿戴电子设备中的研究与应用

柔性可穿戴电子设备因其在人工智能、健康医疗等领域的应用而受到了人们的极大关注.然而,如何降低功耗或实现自供能一直是阻碍其广泛应用的瓶颈.随着纳米发电机与自驱动技术的兴起,尤其以摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)代表的研究,为解决可穿戴传感器电源的问题提供了可行的方案. TENG和PENG分别基于摩擦起电效应与压电效应,可以将机械能转化为电能,同时具备可拉伸性、生物相容性和自愈性等优良特性,已经广泛应用于自驱动的触觉传感器的设计制备中,并作为下一代可穿戴电子设备的技术基础展现出巨大的应用潜力.基于该领域的最新进展,本文对TENG与PENG的机理进行概述,对其性能优化途径进行归纳,再结合材料、器件的设计等讨论应力应变与分布、滑移等纳米发电机自驱动传感器的制备与应用研究.最后,对自驱动触觉传感器目前存在的问题与挑战进行讨论,并对未来的发展进行展望.     

驱动马达定向运动的随机动力学模型

本文在非对称周期势中考虑驱动马达的机械化学耦合,基于布朗马达的工作原理,利用MATLAB数值模拟驱动马达在一定实验条件下的运动特征.我们首先模拟了单个驱动马达的位移和速度随时间变化的图像,然后分别计算了多个驱动马达运动的平均速度,最后计算了不同负载力条件下马达运动速度的系综平均值.模拟结果表明驱动马达在定向运动中存在等...     

驱动马达力学化学耦合机制研究进展

驱动蛋白是细胞内重要的输运机器,属于平动分子马达.它有两个主要特征,其一是持续性,马达的两个头部在交替步行时至少有一头保持与微管吸附,因此它能沿微管长距离步进而不脱轨;另一个特征是马达的力学过程和化学过程是紧耦合的,即马达每前进一步消耗一个三磷酸腺苷.上述两个特征要求两个头部的核苷化学态及其与微管的相互作用需通过某个机构来协调统一,其中的核心问题是力学化学耦合机制,这也是所有化学驱动的分子马达的关键问题.得益于单分子实验技术和分子动力学模拟技术的发展,驱动马达力学化学耦合机制的研究在最近十年取得了重大突破.本文重点从运动学、动力学、协同机制和发力机制等方面介绍驱动马达基础研究的进展及面临的问题.     

指数型热声谐振管的固有频率

采用计算流体力学软件Fluent模拟研究了11种不同形状参数的指数型热声谐振管内二维非线性声场特性,分析了驱动频率和驱动强度对管内声压演化过程及固有频率的影响,并探索了指数管的固有频率与理论计算谐频之间的关系.研究发现:当驱动频率偏离谐振管固有频率时,管内将出现明显的"拍"现象;指数管的固有频率随驱动强度的增加而增加,呈现硬弹簧效应,但驱动强度对固有频率的影响较小并且在任何驱动下指数管的固有频率均小于理论计算谐频.针对所研究的指数型管,获得了其固有频率与理论计算谐频之间的关系式.结果表明,相同驱动下,形状参数m值约等于2.8的指数管所能获得的压力幅值及压比最大,且m=2.8指数管的固有频率与理论计算谐频之间的关系式与其他管型略有不同.      

复旦大学科学家纳米马达研究获新进展

复旦大学科学家在纳米马达研究中获重要进展．以王志松教授为负责人的复旦大学现代物理研究所分子纳米研究组发现了纳米马达自主运动的分子机制,为发展一大类性能先进的新型纳米马达打开了通路,近日,相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。     

自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体激发谱及其有效调控

利用Bogoliubov理论研究了自由空间中可调自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensates, BECs)的激发谱.通过高频近似得到具有两体相互作用时与时间无关的有效Floquet哈密顿量,从而获得一种可调的自旋-轨道耦合和一种可由周期驱动拉曼耦合调控的有效两体相互作用.基于系统有效的Floquet哈密顿量,得到凝聚体具有相互作用时的色散关系,发现周期驱动强度可以有效地调控色散关系的结构,即周期驱动的拉曼耦合可以调控系统在零动量相与平面波相之间的相变.进一步利用Bogoliubov理论得到系统的Bogoliubov-de-Gennes (BdG)方程,分别研究了凝聚体在零动量相和平面波相中的激发谱.发现零动量相中的激发谱均为声子激发,且激发谱随周期驱动强度的增加表现出贝塞尔函数的行为;平面波相中的激发谱存在声子激发和旋子激发,当周期驱动强度增加时,旋子模出现软化现象.因此,可以通过周期驱动拉曼耦合实时地调控自旋-轨道耦合BECs激发谱中的声子激发和旋子激发.     

弯曲旋转超声电机接触界面锥形角的分析与实验

要提高弯曲旋转超声电机电能转换为机械能的效率,就必须尽量减小其定子与转子之间的相对滑移。并且要使马达定转子之间的摩擦接触界面与接触点的振动轨迹相垂直。先论证了一种数学方法去推算这种弯曲旋转超声电机接触界面的锥角计算公式。然后以压电管超声电机为例,研制了一些外径5mm、内径4mm、长15mm但接触界面锥角不同的样机,通过实验证明马达定转子之间的摩擦接触界面与接触点的振动轨迹相垂直时马达转动效果最好。计算结果与实验结果非常吻合,证明了锥角计算公式的正确性。     

自驱动颗粒体系中的熵力

在许多纳米复合材料体系中熵力(entropy force)是普遍存在的,但由于熵力的存在会导致纳米颗粒的凝聚从而降低其许多性能,因此在大多数情况下熵力的存在对体系并无益处,所以研究如何减小熵力对体系的影响是非常重要的.不带角速度的自驱动粒子在熵力作用下会集聚在纳米颗粒(或者纳米棒)周围,这会对纳米颗粒(或者纳米棒)产生很大的相互作用力.对于纳米颗粒,在不带角速度的自驱动粒子体系中存在着非常大的排斥力.而对于纳米棒,由于纳米棒内外的不对称性,使得两个纳米棒之间会产生吸引-排斥转变,同时这个吸引-排斥转变与纳米棒之间的距离有关.当自驱动粒子加上一个自转角速度ω之后,熵力的作用就大大减弱,纳米颗粒不再集聚.研究结果有助于对非平衡态下纳米颗粒(或纳米棒)之间熵相互作用力的认识.     

基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件

随着电子器件向着小型化、功能化的方向迈进,可穿戴电子器件受到越来越多的关注,但是可穿戴电子器件的能源供给问题目前仍亟待解决.基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机具有成本低、选材广、柔性等特点,可以收集人体的低频、不规律能量并高效地转化为电能,在可穿戴带能源器件领域有着巨大的发展潜力.本文将首先介绍摩擦纳米发电机的四种基本工作模式以及摩擦起电机理的最新研究,然后从贴敷于人体皮肤的直接式能源收集与附着于衣物、鞋子等人体附属物的间接式能源收集两个部分详细综述基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件的研究进展.最后,对用于驱动电子器件的能量管理模块进行系统介绍,分析讨论目前可穿戴能源器件发展中的问题和瓶颈,探讨未来的发展方向.     

纳米流体液滴内的光驱流动实验及其解析解

在光透过性的流体介质中添加具有高光响应特性的纳米颗粒,可以形成光驱动纳米流体,实现对光能的高效利用.本文针对光驱纳米流体流动行为开展实验观察和理论分析研究,这是实现光驱纳米流动精确调控的理论基础.首先利用粒子图像测速技术对液滴中直径为300 nm的Fe3O4颗粒在不同光源照射下受Marangoni效应诱导的运动进行了实验观测,研究光能向动能的高效转化机制.实验结果表明,当颗粒浓度大于临界数密度时,可诱导出垂向具有对称结构的涡,在液滴底部颗粒由四周向中心运动,顶部则由中心向四周运动,光源频率和颗粒数密度是这一过程的主导因素.随后,针对光强高斯分布的紫外光驱动下大颗粒数密度、特征流速约mm/s的光驱纳米流体,通过Stokes方程和表面张力梯度边界条件实现了其流场分布的解析求解,理论获得的流场分布解析解与实验测量结果保持一致,证实定量理论分析的有效性.最后,讨论了引入表面张力与在液滴底部引入表面压力及体相中集中引入光辐射力的不同驱动模式之间的相关性.这一研究成果为光微流控系统中流动行为的精确调控及光能的高效转化等提供了理论支持.     

超声振动对摩擦力的影响

超声振动的应用十分广泛,关于超声振动对摩擦力的影响这个问题,已引起国内外许多学者的注意。本文对其进行了实验和理论研究。在超声振动条件下,以理论计算为基础,通过摩擦实验,得到了几种材料的超声振动摩擦特性,并且对摩擦力在共振时减小的原因进行了初步的理论分析。此外,由实验证明,碳化钨与４５＃钢组成的摩擦副是用于超声马达的理想材料。