生命科学中的物理问题讲座 第四讲 关于自组织现象的某些热力学问题—兼谈

讨论自组织现象和它与热力学第二定律以及熵概念之间的联系。强调了开放条件（负熵流）和非平衡条件对维持自组织的重要性，同时指出了在孤立条件下和近平衡条件下发生自组织现象的可能性，讨论了宏观有序的产生与熵的减少之间的联系和与之有关的某些问题。最后强调了生物工作者和物理、化学工作者的合作对推动自组织研究的重要性。     

软物质的自组织

软物质的基本特征使得软物质在各种互作用竞争 ,外力和熵驱动下显示出丰富的自组织现象。本文系统地评述了典型软物质系统各种丰富的自组织现象 ,试图从丰富的自组织现象中寻找共同规律和竞争机理 ,来揭示和探索自组装 /自组织有序微结构形成的物理机制和动力学引起的新生长规律 ,并讨论如何来控制和设计自组装 /自组织有序结构。这对新材料的制备、新结构的实现具有十分重要的科学意义和实际应用价值。     

软物质的自组织

软物质的基本特征使得软特在各种互作用竞争，外力和熵驱动下显示出丰富的自组织现象，本文系统地评述了典型软物质系统各种丰富的自组织现象，试图从丰富的自组织现象中寻找共同规律和竞争机理，来揭示和探索自组装／自组织有序微结构形成的物理机制和动力学引起的新生长规律，并讨论如何来控制和设计自组装／自组织有序结构，这对新材料的制备，新结构的实现具有十分重要的科学意义和实际应用价值。     

摩擦磨损物理的若干问题

本文介绍了我们金属物理教研室在摩擦磨损方面所做的一部分工作,强调了研究这一现象和各种物理因素的联系的重要性。文中介绍了关于金属材料的相组织和显微组织,金属的晶体结构与摩擦磨损的联系,在实验结果的基础上提出了具有较高耐磨性的铁素体—马氏体铁基减摩材料。另一方面文中着重研究了边界滑润的规律,观察了滑润剂粘度、表面活性物质、温度、外振动等因素的影响。详细地观察外加电流的影响,发现电流对摩擦磨损的加强效应和在某种条件下反而减少磨损的可能性。     

大量粒子系统的课程教学体系探讨

本文讨论了分布函数的概念、分布函数与熵的联系和最大熵原理。阐述了引入信息熵与最大熵原理对于大量粒子系统的课程教学体系改革的必要性和重要性。     

低压大直径喷嘴自激脉冲射流空化模型

为解释低压大直径喷嘴自激脉冲发生机理,本文对空化初生条件进行了讨论,提出一种可适用于高速剪切流的非定常空化模型。认为自激振荡腔内空化或凝结的发生,不仅与当地压力有关,而且与当地速度有关,并根据能量平衡条件,给出了新的空化判别标准。在一定程度上改善了非定常空化模型的收敛性,解决了非定常状态下,由于压力的变化,流体发生周期性相变,即空化和凝结交替发生的数值模拟问题。最后,对低压大直径喷嘴自激脉冲射流进行了数值模拟,并对振荡腔内的压力场、速度场以及相图之间的关系进行了分析。     

玻色-爱因斯坦凝聚体自囚禁现象的动力学相变及其量子纠缠特性

研究了量子涨落对自囚禁现象的影响.采用玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)两模模型进行研究，发现有限粒子BEC系统自囚禁现象的发生同样存在临界现象，但是由于量子涨落的影响使得这个临界现象变得模糊，并且粒子数越小量子涨落的影响越明显.为了更加明确地描述有限粒子系统的自囚禁现象，通过系统各态平均占有概率的熵(简称平均熵)和平均纠缠熵来刻画自囚禁现象，并讨论自囚禁现象发生前后系统的纠缠特性. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC) 自囚禁 纠缠熵     

自组织理论对物理教学中批判性思维的启示

 传统教育往往强调知识的记忆和掌握,教育的普遍法则并不要求人们进行批判性的思考和阅读。但从上个世纪末,信息和知识的飞速增长,使教育无法面面俱到。为了使学生成功地适应现代生活的复杂性,批判性思维是必不可少的一项基本技能。钟启泉教授也曾说过:“‘素质教育’所强调的创新精神与实践能力,倘若离开了‘批评性思维’的教学,将是一句空话”。在大力推进素质教育和提倡创新教育的今天,培养和发展学生的批评性思维便具有更加特殊的意义。人的思维系统是一个自组织系统,自组织理论为我们在物理教学中批判性思维的培养提供了一个崭新的视角。自组织理论简介自组织理论是研究客观世界中自组织现象产生、演化等的理论。     

应变异质外延生长中的自组织纳米结构

具有纳米尺度的三维岛的阵列能在有应变的外延生长薄膜上自组织生长，包括反量子点和量子分子在内的其他结构在合适的生长或退火条件下也被观测到。讨论了有关这些纳米结构自组织生长的动力学蒙特卡罗模拟计算中的最新进展。     

应变异质外延生长中的自组织纳米结构

具有纳米尺度的三维岛的阵列能在有应变的外延生长薄膜上自组织生长,包括反量子点和量子分子在内的其他结构在合适的生长或退火条件下也被观测到.　讨论了有关这些纳米结构自组织生长的动力学蒙特卡罗模拟计算中的最新进展.     

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.     

用两耦合非线性振子模型研究量子纠缠和相干性

我们研究两耦合非线性振子模型的量子纠缠和量子相干动力学,结果表明在适当条件下,纠缠熵与相干度是正相关的.我们也讨论纠缠熵和相干度与两振子相互作用能的联系.     

用两耦合非线性振子模型研究量子纠缠和相干性

我们研究两耦合非线性振子模型的量子纠缠和量子相干动力学, 结果表明在适当条件下, 纠缠熵与相干度是正相关的. 我们也讨论纠缠熵和相干度与两振子子相互作用能的联系.     

垂直耦合自组织InAs双量子点中激子能的计算

在有效质量近似条件下研究了垂直耦合的自组织InAs/GaAs量子点的激子态.在绝热近似条件下，采用传递矩阵方法计算了电子和空穴的能谱.通过哈密顿量矩阵的对角化，对电子和空穴间的库仑相互作用进行了精确处理.讨论了两量子点间的垂直距离对激子基态能的影响.从基态波函数概率分布的角度，讨论了激子的束缚能.计算了重空穴和轻空穴激子的基态能随外部垂直磁场变化的函数关系.计算了量子点大小（量子点半径）对激子能的影响. 关键词： 量子点 激子 对角化     

生物自组织的分子动力学理论研究

本文对生物有序自组织和协同效应的特点和性质作了深刻的分析同时对生物自组织的形成机制和过程,从生物分子的生化反应的具体情况出发,作了深刻的分析。指出;它是由于生物分子在自催化剂作用下,通过生化反应和扩散的合作与对抗的竞争,由其非线性作用使生物分子不均匀的丛聚而形成的。这是一种新的生物自组织形成理论,它可与过去其它的研究很好协调起来。     

阳极氧化铝模板表面自组织条纹的形成

对未经化学抛光处理的Al进行阳极氧化得到阳极氧化铝模板，发现Al表面形成了条纹与多孔阵列共存的自组织结构，用原子力显微镜对这种结构进行了研究.借助Brusselator模型对条纹的形成机理进行了讨论，认为条纹图案是Al表面氧化层/电解液界面的Al₂O₃在整个反应过程中的生成和溶解两个过程相互竞争导致的，只有在特定的反应条件才会出现高度有序的结构. 关键词： 氧化铝模板（AAO） 原子力显微镜（AFM） 自组织条纹 Brusselator模型     

两路光纤激光器自组织相干合成实验研究

 建立了两路光纤激光器自组织相干合成的理论模型,并进行实验验证。结果表明,通过能量的相互注入,可以实现光纤激光器的自组织相干合成,合成效率达到92%。当外界基本没有干扰时,远场光斑为稳定、高对比度的干涉条纹,激光器阵列输出模式为异相模,与理论分析的结果一致;当外界环境存在轻微干扰时,实验出现条纹移动现象,输出模式也不再是恒定的异相模。对外界干扰对自组织相干合成的影响进行了数值分析,结果表明：外界干扰的幅度与频率越大,两束激光的相位差的变化幅度与频率也就越大;当外界干扰超过一定程度,两束激光之间的相位差将不能被锁定,始终处于变化状态。     

σ介子的自相互作用对核物质物态方程的影响

在相对论σ–ω模型里,详细讨论了σ介子的自相互作用参数对正常核物质物态方程的影响,特别是对核物质的不可压缩系数、有效质量,以及σ介子与核子、ω介子与核子之间的耦合常数的影响,发现这些参数与核物质的性质之间有紧密的联系.同时,利用这些结果研究了相对论σ–ω–π模型下△共振态核物质的结合能和压强与温度之间的关系,并同我们以前的结果作了比较,得到了一些有意义的结果.在以上所有的分析中,考虑了核子、△粒子和σ介子的真空起伏.     

非晶力学流变的自组织临界行为

非晶材料是由液体快冷冻结而成的结构无序的亚稳态固体.在受力条件下,非晶材料表现出独特和复杂的流变行为,具有跨尺度的高度时空不均匀特征,并在一定条件下表现出自组织临界行为,和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.本文结合作者近年来在非晶合金流变行为方面的研究结果,对非晶材料流变的研究进展和物理机制的认识进行介绍,包括非晶材料流变的跨尺度特征、表征和微观结构机制,以及近年来发现的非晶力学流变的自组织临界行为、物理机制等.最后,对非晶材料流变行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.     

固体物理学中平衡态的热力学条件分析

在具体分析和讨论肖特基缺陷热平衡浓度的热力学平衡条件的基础上,指出其热力学平衡条件是自由焓Φ最小的态;对于固体物理学中采用自由能F最小作为热力学平衡态的条件进行了分析和讨论,在压强为大气压或压强足够低的条件下,自由焓Φ最小近似为自由能F最小。