AFM force spectroscopy and its applications on micro biomechanics

基于原子力显微镜技术的力谱技术是一种高灵敏度的力学检测方法.它能够以前所未有的精度, 在微观生物力学领域表征组织、细胞、生物膜、蛋白质、核酸、功能材料等目标对象, 探索其包括形貌、化学信息、导电性、静电力以及生物学特性在内的等信息, 并且能够对其进行分子级别精度的三维操纵. 从而对分子结构与构象变化, 分子间的相互作用以及反应历程实现单分子水平的实时--原位观测, 提供了其他测试方法不能完成的实验设计之可能性.本文首先介绍了原子力显微镜及其力谱技术的原理, 以及影响测量结果的各个参数的物理意义; 其次按照单个目标对象与配对目标对象的区分方式, 详细介绍了力谱技术在微观生物力学各个尺度上的研究进展; 之后介绍了力谱技术结合成像模式下的发展和应用; 最后对设备的改进和本研究领域发展方向进行了展望.     

原子力显微镜力谱技术及其在微观生物力学领域的应用

基于原子力显微镜技术的力谱技术是一种高灵敏度的力学检测方法.它能够以前所未有的精度, 在微观生物力学领域表征组织、细胞、生物膜、蛋白质、核酸、功能材料等目标对象, 探索其包括形貌、化学信息、导电性、静电力以及生物学特性在内的等信息, 并且能够对其进行分子级别精度的三维操纵. 从而对分子结构与构象变化, 分子间的相互作用以及反应历程实现单分子水平的实时--原位观测, 提供了其他测试方法不能完成的实验设计之可能性.本文首先介绍了原子力显微镜及其力谱技术的原理, 以及影响测量结果的各个参数的物理意义; 其次按照单个目标对象与配对目标对象的区分方式, 详细介绍了力谱技术在微观生物力学各个尺度上的研究进展; 之后介绍了力谱技术结合成像模式下的发展和应用; 最后对设备的改进和本研究领域发展方向进行了展望.      

石英岩表面分子沉积膜的微观摩擦性能的试验研究

利用原子力显微镜对石英岩表面单层分子沉积膜的微观摩擦特性进行了研究,发现该分子沉积膜具有一定的减摩性.通过对其表面力-位移曲线、表面形貌像、调制力像和摩擦力像的进一步分析表明,石英岩表面分子沉积膜具有减摩作用的原因在于它能够降低表面的粘着力并对表面具有微观修饰作用.     

针尖的分子生物物理力学研究进展

围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物力学与力 - 电耦合实验研究, 较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展, 进而探讨了在``针尖'这个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况.通过介绍借助探针技术研究相关生物物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型, 指出探针技术在生物分子（包括遗传物质和蛋白质）力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义.提出多场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点;将针尖的分子生物力学的物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合, 发展分子物理力学虚拟实验技术是本领域的一个重要发展方向.      

石英岩表面分子沉积膜的微观摩擦性能试验研究

利用原子力显微镜对石英岩表面单层分子沉积膜的微观摩擦特性进行了研究,发现该分子沉积膜具且定的减摩性。通过对其表面力－位移曲线、表面形貌像、调制力像和摩擦力像的进一步分析表明,石英岩表面分子沉积膜具有减摩作用的原因在于它能够降低表面的粘着力并对表面具有微观修饰作用。     

微观摩擦学研究进展

早在十九世纪中叶就有人试图从原子、分子水平上揭示摩擦过程的本质，然而直到原子力显微镜和摩擦力显微镜问世之后的本世纪八十年代，学术界才明确提出了微观摩擦学这个概念。为了推动微观摩擦学的发展，对微观摩擦学的研究方法及其最新研究进展作了综合介绍与评述。微观摩擦学在基础研究方面首先是从边界润滑之研究提出的，而在应用方面则是从磁头－盘之润滑提出的；在研究方法上主要是原子力显微镜、ＬＢ膜技术、表面力装置、石英晶体微量天平、红外、电子能谱和计算机分子动力学模拟等。目前，微观摩擦学主要应用于高密度磁纪录介质的摩擦学研究，同时还应用于微型机械和大规模集成电路的制造，以及微观摩擦、粘着与磨损行为的基础研究等方面，除此以外，还简明地指出了今后微观摩擦学研究应当重视的若干问题。     

细胞粘附的生物力学研究进展

介绍了细胞粘附的生物力学领域的进展和基本概念,对生物力学中这一新领域的研究进行了评价．同时对力学分析方法和试验方法给予评论,而这些方法示明：细胞粘附的生物力学研究趋势是从细胞力学至分子力学,而在不久将来将进入微观力学范畴     

细胞力学实验技术研究

本文介绍了近年来现代生物力学领域内,细胞力学研究过程中所采用的各种实验技术,并根据实验方法的不同将其大致归纳为四类：单个细胞加载实验技术,细胞介质间接及流变学加载实验技术,细胞基底应变加载技术,细胞分子学加载技术,并指出细胞乃至分子的力学实验技术的进展将对细胞生物力学的发展起着决定性的作用,特别是对生物医学工程的最前没领域-组织工程学中的应力与生长有着重大的影响。     

粒子图像测速技术研究进展

粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法,在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值.本文对PIV技术的原理、分类作了简要地介绍,详细归纳和评述了现有的各种速度信息的提取方法,并对拓扑图论、神经网络、遗传算法、模糊聚类等新技术在PIV中的应用以及三维PIV技术、两相流PIV测试技术进行了介绍.指出当前PIV技术除了向三维和多相流方向发展外,如何提高PIV的测量精度以及缩短计算时间仍然是目前研究的主要目标.PIV技术随着计算机技术、激光技术和CCD性能的发展,必将取得更大的发展与突破      

植物细胞力学模型研究进展

植物细胞在结构上具有特殊性, 即细胞壁和胞内物质在力学性质上差异很大. 因此其力学模型的研究具有特殊意义. 植物细胞力学模型是植物组织力学行为的研究基础, 是连接宏观与微观生物力学发展的桥梁, 在农业和食品加工等领域中有重要的潜在应用价值. 本文就目前国际上在细胞力学模型研究中所采用的模型形式和理论分析与数值模拟等方法做较全面而简要的介绍, 并对本领域中存在的现实问题加以论述, 希望能够对我国在细胞力学领域的研究有所帮助.      

缅甸蟒蛇腹鳞表面的摩擦机理及摩擦各向异性研究

采用原子力显微镜观察缅甸蟒蛇腹鳞表面的微观结构,采用UMT-2型摩擦磨损试验机研究不同载荷及运动方向的腹鳞表面的宏观摩擦各向异性,建立了摩擦运动的接触模型,分析了腹鳞表面的磨损机理.结果表明:腹鳞表面的微观结构由指状微突体和板结构部分周期排列而成,其结构可用9个特征参数定量描述;腹鳞表面摩擦力由分子作用力、表面微突体的犁沟力、楔形作用力以及材料弹性滞后共同引起;腹鳞表面的摩擦系数在0.07左右并与运动方向有关,摩擦系数随载荷增加而减小;后向运动及左、右侧向运动时摩擦系数基本相等,比前向运动时高33%左右;腹鳞表面微突体不同方向上倾斜角度的差异是引起摩擦各向异性的主要原因.研究结果对仿生制造摩擦各向异性表面提供实验依据.     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表,二维材料有着诸多优异的性质,在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景.目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用,对于其力学性质的研究则相对欠缺,而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义.原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段,例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术...     

关于我国生物力学发展的几点意见

如果说生物力学的崛起（６０年代中期到８０年代初）是它的第一次高潮,那么,跨世纪之际,生物力学和生物医学工程正处于第二高潮之中．其特点是：由宏观向微观深入,宏观和微观相结合,宏观与微观并进;生物力学方法和生物化学方法相结合;生物力学更深入于医学（临床和基础两个方面）,深入于生物医学工程的多个领域（如生物医学材料）,尤其是一些新生的前沿领域（如组织工程、生物功能材料、生物芯片、新型生物传感器等）;并扩及生物化学工程领域之中． 我国的生物力学是在生物力学的开创者冯元帧教授推动下从无到有生长起来的,在此…     

摩擦学的进展与展望

对摩擦学近１０多年来在润滑与润滑剂和摩擦与磨损两个方面的进展作了综合介绍与评述，指出最引人注目的是采用扫描隧道显微镜、原子力显微镜和超薄膜干涉仪等先进仪器设备对边界润滑和边界膜进行原位研究，以及纳米摩擦学、陶瓷摩擦学、空间摩擦学、核反应系统摩擦学、微观摩擦学和表面工程等的发展与各种新型摩擦学材料的开发。同时，还对本世纪末和下世纪初摩擦学的发展前景作了展望，认为在摩擦学设计、新的摩擦学系统、特殊的摩     

硅表面电沉积MoS2薄膜及其微观摩擦性能研究

以单晶硅片为基片,采用电化学沉积工艺通过阴极还原硫代钼酸根制备MoS2薄膜,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、俄歇电子能谱仪以及原子力显微镜表征薄膜结构,并研究其微观摩擦磨损性能.结果表明:所制备的薄膜为纳米/亚微米厚度,表面光滑致密,结构为非晶态,由钼、硫和氧元素构成;微米厚度的薄膜表面粗糙度增加,薄膜易开裂,结合性差;沉积MoS2薄膜的硅表面的最小摩擦力约为原始硅表面的1/2;沉积MoS2可以使硅表面的粘着能减少50%左右,从而使其微观摩擦力降低.     

运动生物力学发展现状及挑战

狭义的运动生物力学特指人体运动中的生物力学,主要解决竞技体育领域中如何提高运动成绩和减少运动损伤的问题.随着相关学科的融合和发展,当前运动生物力学的研究已扩展到与人类运动相关的生物学、医学、力学等学科领域.近年来,智能测试、大数据分析、人工智能等技术快速发展,对运动生物力学实验、仿真方法产生了重要的影响,在不断拓展和深化着该学科的研究内容和方向的同时,也对运动生物力学发展提出了新的挑战.本文综述了近年来运动生物力学领域的研究现状,并指出了相关研究方向的关键问题及发展趋势:在理论建模和模拟仿真计算方面,肌肉本构理论及肌肉力计算准确性是重点和难点;实验测试的新技术在竞技体育运动项目中的应用研究中扮演重要角色,其中基于深度学习的人体关键点检测算法在解决竞技体育的非接触测量方面有突破性进展;对于骨、韧带、软骨、肌肉等组织的宏观损伤机制认识不断清晰,但对于其早期损伤预测以及跨尺度损伤发生机制的研究仍有待深入;智能可穿戴装备、人工智能等新技术开始应用于运动生物力学研究及实践,成为目前运动生物力学领域最具活力的研究方向之一.本文的综述表明当前运动生物力学研究越来越向智能化、个体化、定量化发展,并正在...     

含天然气水合物土微观力学特性研究进展

天然气水合物作为一种资源储量大、分布范围广、能量密度高的清洁能源, 受到了国内外的广泛关注, 竞相研究安全高效、持续可控的开采方法. 充分掌握含天然气水合物土的力学特性并厘清其在开采过程中的动态演化规律, 是实现天然气水合物资源产业化开发的重要前提. 含天然气水合物土的力学响应行为本质上是其内部结构演化的宏观反映, 相关的微观力学特性研究对于深化含天然气水合物土力学特性认识具有重要的意义. 本文从天然气水合物晶体、天然气水合物与土颗粒界面、含天然气水合物土3个尺度对含天然气水合物土微观力学特性的研究现状进行了总结, 系统归纳了天然气水合物的晶体结构类型及天然气水合物的孔隙微观赋存模式; 重点介绍了计算机断层扫描、扫描电子显微镜、X射线衍射及原子力显微镜等微观测试技术原理与特点; 简述了与计算机断层扫描联用的三轴剪切实验、颗粒流程序模拟及分子动力学模拟在天然气水合物微观力学特性研究方面的最新进展; 综合现有研究结果对含天然气水合物土内颗粒界面剪切机理及微观力学理论模型进行了概述分析; 最后探讨了含天然气水合物土微观力学研究目前仍存在的不足与挑战, 并给出了针对性的建议以期促进含天然气水合物土的力学特性研究发展.      

微加工中原子力显微镜金刚石针尖的磨损研究

考察了用原子力显微镜对单晶硅进行微加工时金刚石针尖的磨损行为 ,对针尖的磨损率、磨损机理以及针尖磨损对微加工过程的影响进行了实验研究和理论分析 .结合对单晶硅所进行的摩擦磨损试验 ,应用计算模型得出针尖的磨损率为 1.7× 10 - 1 0 m m3/(N·m) ;通过对针尖磨损特征的原子力显微镜观察 ,结合金刚石针尖上应力集中的有限元计算及单位切削力计算 ,推测其磨损机制主要为化学磨损     

双层自组装分子/离子液体复合润滑薄膜的制备及其摩擦学性能研究

利用自组装和喷覆技术,在单晶硅(Si)表面制备了N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺(DA)-月桂酰氯(LA)-1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体(ILs)双层自组装分子/离子液体复合润滑薄膜(DA-LA-ILs).采用接触角测量仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和原子力显微镜(AFM)对复合润滑薄膜进行了润湿性能、分子组分、微观形貌和微尺度黏附行为的研究;利用球-盘摩擦磨损试验机研究了该薄膜的摩擦学性能.结果表明:经DA-LA-ILs复合润滑薄膜改性后,有效改善了Si表面的微观黏着性能;同时,相较于DA-LA双层自组装分子膜改性的Si表面和直接由ILs修饰的Si表面,该复合润滑薄膜具有良好的宏观减摩抗磨性能.研究为DA-LA-ILs复合润滑薄膜应用于微机电系统,降低微接触表面的黏着并提高耐磨性能提供了理论依据和试验基础.     

Ti-6Al-4V钛合金表面疏水性复合膜的制备及其微摩擦磨损性能

通过自组装分子膜（SAMs）方法和有机镀膜技术在Ti-6Al-4V钛合金表面成功制备了三嗪硫醇三乙基硅烷（TES）自组装分子膜（TES-SAMs）和含氟官能团的三嗪硫醇（ATP）复合膜（TES-ATP）.采用X射线光电子能谱仪、接触角测量仪、椭圆偏振光谱仪、原子力显微镜、超景深三维显微镜和UMT-2型摩擦磨损试验机评价薄膜结构及其微摩擦学特性.研究结果表明：TES-SAMs自组装分子膜和TES-ATP复合膜的膜厚分别为3.9和22.2 nm,其对蒸馏水的接触角分别为94.5°和130.5°,呈疏水性.TES-SAMs自组装分子膜和TES-ATP复合膜均能有效降低基体的摩擦系数,TES-SAMs自组装分子膜的摩擦系数稳定在0.23,TES-ATP复合膜的摩擦系数为0.17,而空白基体的摩擦系数为0.50;同时TES-ATP复合膜还表现出良好的抗磨性能.