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.     

基于表面效应三维纳米多孔金属力学性能的有限元分析

纳米多孔金属是一类包含大量纳米尺度孔洞的金属材料,孔洞突出的表面效应,使得其具有比传统多孔金属更为优异的力学性能.相对于理论和分子动力学仿真,有限元方法更适用于复杂结构模型,但受限于理论难度,以往研究仍将纳米多孔金属模型简化为较为简单的二维结构,因此无法真实刻画纳米多孔金属的力学性能.为此,基于Gurtin-Murdoch表面理论,成功构建计入纳米表面效应的有限元表面单元,并考虑微观结构非均匀性,发展面向一般三维纳米多孔金属力学行为的有限元计算模型,将计算得到的纳米孔附近应力分布与参考文献进行对比分析,验证了所构建有限元模型的有效性.通过对包含单球孔和随机多球孔的纳米多孔金属进行单轴拉伸和单轴压缩模拟,揭示了孔隙率、孔洞数量和表面参数对纳米多孔金属杨氏模量、压缩屈服强度和吸能性的影响规律.结果表明:所构建的有限元模型可准确捕捉纳米孔附近应力分布,相对于表面拉梅常数,纳米多孔金属的杨氏模量显著依赖于孔洞表面残余应力和加载方向.所构建的有限元模型为纳米多孔金属力学性能预测提供科学依据.     

无限介质中单个纳米涂层夹杂反平面问题的两个模型

采用零厚度界面模型和界面层模型研究了无限介质中单个纳米涂层圆柱形夹杂的反平面问题,利用复变函数方法获得了两种模型夹杂、涂层和基体内应力场的封闭解析解．研究表明,当界面层模型中的界面相厚度趋于零时,界面层模型可以解析地退化为零厚度界面模型．数值算例分析了界面模量不同取值时应力场的分布和应力的尺度依赖性．本文结果丰富了对纳米夹杂力学行为的认识,并可为直接采用零厚度界面模型有困难的纳米夹杂问题的研究提供有价值的参考．     

PREDICTIONS OF EFFECTIVE OUT-PLANE SHEAR MODULUS AND SIZE EFFECT OF HEXAGONAL HONEYCOMB

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G₁₃相对于材料体分比ν、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G-A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性. 结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果. 此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

压电纳米板中SH型导波的传播特性

压电纳米材料具有机电耦合性强、功耗低和反应灵敏等独特性能,且能满足工程对压电器件微型化的要求,从而在传感、微纳米机电系统和柔性电子器件等领域展现出了广阔的应用前景. 高比表面积引起的表面效应是压电纳米材料最重要的结构特征之一,其对材料的整体力学性质起着决定性的作用.表面效应会导致应力和电位移在压电表面的两侧出现间跃,故传统的力电场连续性条件将不再适用.考虑表面为不计厚度却拥有独立材料参数的薄层,采用表面压电模型计及表面弹性、表面压电性、表面介电性和表面密度的影响,本文研究了压电纳米板中SH型导波的传播特性,给出了板边界处的非典型力电平衡条件,得到了频散方程的解析表达,并结合数值算例详细讨论了表面材料参数和结构尺寸对对称和反对称频散模态的影响.结果表明:SH型导波在压电纳米板中的传播具有明显的尺寸相关性,即当板厚很小时,表面效应会显著改变其频散行为,而随着板厚的增大,表面效应的影响会不断减弱直至可忽略不计.      

疲劳裂纹形成寿命预测方法综述

本文对预测结构疲劳寿命的主要方法作了系统的回顾,并按控制参数将它们分为４类：名义应力法,局部应力应变法,能量法和应力场强法．对这４类方法从多方面作了简要的比较,从宏观力学观点看,应力场强法能比较好地解释疲劳现象,且与疲劳机理比较符合     

压电纳米板中SH型导波的传播特性

压电纳米材料具有机电耦合性强、功耗低和反应灵敏等独特性能,且能满足工程对压电器件微型化的要求,从而在传感、微纳米机电系统和柔性电子器件等领域展现出了广阔的应用前景.高比表面积引起的表面效应是压电纳米材料最重要的结构特征之一,其对材料的整体力学性质起着决定性的作用.表面效应会导致应力和电位移在压电表面的两侧出现间跃,故传统的力电场连续性条件将不再适用.考虑表面为不计厚度却拥有独立材料参数的薄层,采用表面压电模型计及表面弹性、表面压电性、表面介电性和表面密度的影响,本文研究了压电纳米板中SH型导波的传播特性,给出了板边界处的非典型力电平衡条件,得到了频散方程的解析表达,并结合数值算例详细讨论了表面材料参数和结构尺寸对对称和反对称频散模态的影响.结果表明:SH型导波在压电纳米板中的传播具有明显的尺寸相关性,即当板厚很小时,表面效应会显著改变其频散行为,而随着板厚的增大,表面效应的影响会不断减弱直至可忽略不计.     

扭动微动下亚表面接触应力分布规律

求解螺栓连接结构在扭动微动下的应力分布时,通常接触体的亚表面应力是由表面应力推导而得。而扭矩卸载时,由于接触表面切向力的表达式非常复杂,很难获得亚表面应力分布规律,为此引入半解析法求解亚表面应力分布特征。首先,根据加、卸载时的切向力和扭矩方程,获得加、卸载时的表面切向应力分布规律;然后,利用半解析法计算出加载时的亚表面应力,并与解析法的结果进行对比,验证半解析法的正确性,再用半解析法计算出卸载时的亚表面应力;最后,探讨了扭矩和摩擦系数对卸载时应力分布的影响规律。研究表明:卸载时,最大应力出现在接触表面或接触中心的正下方;随着扭矩的减小,整体应力减小,而最大应力先减小后不变;随着摩擦系数的增大,整体应力、最大应力值增大;应力值相对较小时,最大应力点出现在亚表面上。     

An energy model for nanomechanical deflection of cantilever-DNA chip

Nanomechanical behavior of cantilever-DNA chip in label-free biodetection is investigated by the energy method. First, using an equation of state for DNA liquid crystals and an alternative two-variable model for laminated cantilever beams, a relationship between chip energy and some factors, such as nanogeometrical, physical, chemical characteristics of DNA molecules, microscopical geometric dimension, macroscopical mechanical properties of chip, etc., is formulated in consideration of electrostatic energy, hydration energy and configurational fluctuations of DNA layer as well as mechanical energy of chip. Second, theoretical predictions of nanomechanical deflection of DNA chip by the minimum principle of energy are compared with experimental data in Wu's experiments. Third, the influence of stochastic interchain distances and stochastic elastic modulus on chip deflection is investigated. The validity of the simplified two-layer-beam model is also studied. Numerical results show that chip deflection enhances with the increase in length of DNA chains, and the interchain distances should be carefully controlled no less than 4 nm during the process of probe molecules self-assembly.     

PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF SINGLE-STRAND DNA MOLECULAR BRUSH BIOLAYERS

The paper is devoted to investigations on nanomechanical behaviors of biochips in label-free biodetections.The chip consists of Si-layer,Ti-layer,Au-layer and single-strand DNA (ssDNA)molecular brush biolayer immobilized by self-assembly technology of thiol group.Unlike previous viewpoints,such as force-bending,entropy-bending and curvature electricity effect,etc., the piezoelectric effect of the biopolymer brush layer is viewed as the main factor that induces nanomechanical bending of biochips,and a classical macroscopic piezoelectric constitutive rela- tion is used to describe the piezoelectric effect.A new laminated cantilever beam model with a piezoelectric biolayer in continuum mechanics,the linearized Poisson-Boltzmann equation in statistical mechanics and the scaling method in polyelectrolyte brush theory are combined to es- tablish a relationship between the nanomechanical deflection of DNA chips and the factors such as nanoscopic structural features of ssDNA molecules,buffer salt concentration,macroscopic me- chanical/piezoelectric parameters of DNA chips etc.Curve fitting of experimental data shows that the sign of the piezoelectric constant of the biolayer may control the deflection direction of DNA chips during the packaging process.     

纳米尺度下切削过程的准连续介质力学模拟

采用准连续介质力学方法模拟了镍单晶体刀具在单晶铜工件上的切削过程,深入分析了切削过程中的能量演化?应力场变化和原子位移情况等因素.结合切削过程中位错滑移等塑性行为和原子径向分布理论,揭示了切屑产生的机理,证实了切削过程中已加工表面和体相晶体结构的非晶态变化是切屑产生的主要原因.通过对纳米切削过程不同阶段的模拟表明:刀具的耕犁作用下剪切带的形成和扩展是切屑形成的初始阶段;变质层的产生是纳米切削的中间阶段并构成了加工表面组织;储存在变形晶格中的变形能超过一定值时,晶格被打破,形成非晶态结构是切屑形成的最终阶段.     

Nonlinear dynamic response of beam and its application in nanomechanical resonator

Nonlinear dynamic response of nanomechanical resonator is of very important characteristics in its application. Two categories of the tension-dominant and curvature-dominant nonlinearities are analyzed. The dynamic nonlinearity of four beam structures of nanomechanical resonator is quantitatively studied via a dimensional analysis approach. The dimensional analysis shows that for the nanomechanical resonator of tension-dominant nonlinearity, its dynamic nonlinearity decreases monotonically with increasing axial loading and increases monotonically with the increasing aspect ratio of length to thickness; the dynamic nonlinearity can only result in the hardening effects. However, for the nanomechanical resonator of the curvature-dominant nonlinearity, its dynamic nonlinearity is only dependent on axial loading. Compared with the tension-dominant nonlinearity, the curvature-dominant nonlinearity increases monotonically with increasing axial loading; its dynamic nonlinearity can result in both hardening and softening effects. The analysis on the dynamic nonlinearity can be very helpful to the tuning application of the nanomechanical resonator.     

Nanomechanical Unfolding of Self-Folded Graphene on Flat Substrate

Experimental Mechanics - We report the nanomechanical unfolding of individual self-folded graphene flakes on a flat substrate by using atomic force microscopy techniques. The nanomechanical...     

锯切过程中花岗石与金刚石间的摩擦效应

通过测量锯切力和计算锯切比能,获得了多种条件下的比能与单颗磨粒平均载荷的试验,从能量角度探讨了花岗石的锯石的锯切机理,并建立了单颗磨粒平均载荷与磨粒纵向切削面积平均值之间,单位宽度功率消耗与滑擦面积之间的对应关系。结果表明,锯切过程中能量主要消耗于花岗石与金刚石间的摩擦,由于单颗磨粒向切削面积平均值同时包含了磨粒切削深度与弧长的影响,更适用于描述锯切过程。锯切中锯切深度和材料去除率等因素的影响均可     

Two-mode squeezed state of nanomechanical resonators

In this paper, we introduce a flexible model for the control and measurement of NAMRs （nanomechanical resonators）. We obtain the free Hamiltonian of the dcSQUID （direct current superconducting quantum interference device） and the interaction Hamiltonian between these two NAMRs and the dc-SQUID by introducing the annihilation and creation operators under the rotating wave approximation. We can treat the mode of the dc-SQUID as a classical field. In the Heisenberg picture, the generation of two-mode squeezed states of two nanomechanical resonators is shown by their collective coordinate and momentum operators.     

基于均匀化理论的页岩微观多孔黏土强度特性

页岩强度是页岩油气开发所必需的基础技术参数之一,对页岩强度的研究贯穿于钻完井、压裂工艺施工的全过程.常规宏观室内实验存在试样获取困难、耗时较长,受井下工矿制约,地球物理方法获取资料品质欠佳且增加了井下设备卡、埋风险.因此,提出基于均匀化理论评价页岩微观多孔黏土强度的方法,进行多孔黏土组成与力学分析.基于耗散能原理和Drucker-Prager准则,开展了微观多孔黏土的强度与$\pi$函数的应变求解分析;讨论黏土颗粒与粒间孔隙的力学特性,建立多孔黏土的均匀化应变能;采用强度均匀化理论构建微观非线性函数模型,建立与多孔黏土组成、摩擦系数、内聚系数等参数相关的均匀化函数模型;基于纳米力学实验、量纲分析和有限元模拟,分析多孔黏土硬度、强度与组成的内在关系.研究结果表明,页岩微观多孔黏土的弹性模量和硬度与黏土堆积密度正相关,当黏土堆积密度一定时,硬度与内聚系数的比值受摩擦系数影响较大,为非线性递增;通过量纲分析和有限元模拟,求解页岩微观多孔黏土关于硬度--强度--堆积密度的$\pi$函数,揭示页岩微观黏土矿物的组成与力学性质的关系,为进一步深入研究页岩细观强度参数和宏观强度预测奠定基础.