利用扫描电镜和原子力显微镜测量纳米微孔阳极氧化铝膜

利用多孔型阳极氧化铝膜（PAA）制备纳米材料是近年来研究的热点之,对PAA的形貌进行准确的表征具有重要的意义,文章首先分析了传统扫描电镜（SEM）观测方法中镀膜工艺对样品和测量结果的影响,并提出了对镀膜过渡区进行观测的方案,然后着重研究了利用原子力显微镜（AFM）对PAA进行无损测量的方法,比较了不同测量模式下的测量结果,并利用Reiss模型对“针尖-样品卷积效应”进行了有效的修正,文章的研究结果不仅适用于多孔型阳极氧化铝膜这一研究领域,对于纳米多孔材料的测量也有普遍的参考价值。     

有序分子体系的三阶和四阶非线性光谱学的实验可观测量和宏观感应率及微观极化率张量元

对于线性和非线性光谱，有序的分子体系(如分子界面和分子膜)的取向分析可以通过对形式非常简单的广义取向泛函．对于二阶非线性光谱学，即光学二次谐波和和频振动光谱，这一简化描述对于理解分子界面和膜的光谱和取向的细节很有助益．为了将这一简化描述应用于更高阶的相干非线性光谱学，对于具有旋转对称性的界面或膜的三阶和四阶非线性光谱学的实验可观测量和宏观感应率及微观极化率张量元进行了计算并得到了具体表达式．这些通用的表达式将有助于典型的三、四阶非线性光谱学，即光学三次谐波、简并的相干反斯托克斯拉曼光谱、光学四次谐波和简并     

金刚石刀具nm级表面轮廓质量多参数集成测量方法

为有效解决金刚石刀具表面轮廓质量评价指标分散、无法进行全面系统测量的难题,基于原子力显微镜和超精密回转轴系,提出了实现前后刀面粗糙度、刃口锋利度和刃口微豁三个关键指标的集成测量方法。根据金刚石刀具表面轮廓质量的测量要求,以原子力显微镜扫描系统、气浮隔振平台、二维移动平台以及精密回转轴系为基础构建测量系统,精确测量了金刚石刀具刃口附近的表面微观形貌;采用基于MATLAB开发的专用测量软件对原始数据进行处理,得到金刚石刀具前后刀面粗糙度值、刃口锋利度值和刃口微豁范围;并对测量误差进行了分析,提出了控制要求。通过上述自主开发的测量仪器,可以高效、完整地描述金刚石刀具表面轮廓质量,能够实现nm级粗糙度、亚m级锋利度以及m级微豁的准确测量。     

Measurement of the friction coefficient of a fluctuating contact line using an AFM-based dual-mode mechanical resonator

A dual-mode mechanical resonator using an atomic force microscope （AFM） as a force sensor is developed. The resonator consists of a long vertical glass fiber with one end glued onto a rectangular cantilever beam and the other end immersed through a liquid-air interface. By measuring the resonant spectrum of the modified AFM cantilever, one is able to accurately determine the longitudinal friction coefficient ξv along the fiber axis associated with the vertical oscillation of the hanging fiber and the traversal friction coefficient ξh perpendicular to the fiber axis associated with the horizontal swing of the fiber around its joint with the cantilever. The technique is tested by measurement of the friction coefficient of a fluctuating （and slipping） contact line between the glass fiber and the liquid interface. The experiment verifies the theory and demonstrates its applications. The dual-mode mechanical resonator provides a powerful tool for the study of the contact line dynamics and the rheological property of anisotropic fluids.     

悬浮石墨烯摩擦特性

石墨烯作为固体润滑剂在微/纳米机电系统中具有巨大的应用潜力.本文在SiO_2/Si基底上制备了微孔阵列,将石墨烯剥离在微孔上,形成悬浮结构.使用原子力显微镜研究悬浮石墨烯和支撑石墨烯的摩擦特性,结果表明:悬浮石墨烯表面摩擦力比基底支撑石墨烯明显减小,同时在支撑石墨烯上出现的摩擦增强效应也消失.随着石墨烯厚度的增大,面外刚度逐渐增大,悬浮石墨烯与支撑石墨烯的摩擦力差异逐渐减小.此外,使用预磨损探针时,悬浮石墨烯和支撑石墨烯的摩擦力都显著增大,且悬浮石墨烯的摩擦力依然比支撑石墨烯小.通过对比不同厚度石墨烯,不同针尖半径时悬浮石墨烯与支撑石墨烯表面摩擦力的变化,揭示了面外变形对石墨烯摩擦力的影响,为有效提高石墨烯固体润滑剂的摩擦性能提供了理论指导.     

抗生物素蛋白与DNA相互作用的单分子研究

抗生物素蛋白(avidin)在生物单分子实验中被广泛用于DNA与修饰表面的连接,同时avidin也可作为一种DNA载体用于基因治疗中.本文利用原子力显微镜(AFM)、动态光散射(DLS)、单分子磁镊(MT)技术系统地研究了avidin与DNA之间的相互作用,以及avidin引起DNA凝聚的机理.首先通过AFM对avidin-DNA复合体形貌进行观察,发现不但有avidin导致DNA凝聚的环状形貌,同时也存在avidin自身聚集引起的DNA凝聚现象,通过定量分析,发现其凝聚尺寸越来越小,而当avidin浓度大于2 ng·μL~(-1)时,其凝聚尺寸又突然变大.DLS实验结果也显示了同样的规律,伴随着avidin浓度的升高,DNA的粒径大小从大约170 nm减小到125 nm左右,其电泳迁移率由-2.76(10~(-4)cm~2·V~(-1)·s~(-1))变化到-0.1(10~(-4)cm~2·V~(-1)·~(-1)).此外,通过MT技术的力谱曲线变化,发现avidin导致的DNA凝聚与其他多价离子相比,长度的变化曲线几乎呈线性变化,偶尔存在少而小的阶跃,这种变化趋势与组蛋白的变化曲线更相似.因此可以判断,avidin导致DNA凝聚是由avidin与DNA的静电吸引和avidin自身聚集两种相互作用引起的.     

Lipid membrane: inelastic deformation of surface structure by an atomic force microscope

The stability of the 1,2-Dioleoyl-sn-Glycero-3-[phospho-rac-1-Glycerol-Na] liposome in the liquid crystalline state have been investigated using an atomic force microscope (AFM). We have observed the inelastic deformation of the sample surface. The AFM tip causes persistent deformation of the surface of the lipid membrane, in which some of the lipid molecules are eventually pushed or dragged by the AFM tip. The experiment shows how the surface structure of the lipid membrane can be created by the interaction between the AFM tip and lipid membrane. When the operating force exceeds 10^-8 N, it leads to large deformations of the surface. A square region of about 1×1μm² is created by the scanning probe on the surface. When the operating force is between 10^-11N and 10^-8N, it can image the topography of the surface of the lipid membrane. The stability of the sample is related to the concentration of the medium in which the sample is prepared.     

True atomic resolution imaging of surface structure and surface charge on the GaAs(110)

We demonstrated a novel method to detect the van der Waals and the electrostatic force interactions simultaneously on an atomic scale, which is based on frequency modulation detection method. For the first time, the surface structure and the surface charge at atomic-scale point defects on the GaAs(110) surface have been simultaneously resolved with true atomic resolution under ultra-high vacuum condition. From the bias voltage dependence of the image contrast, we can verify that the sign of the atomically resolved surface charge at the point defect was positive.     

“摩擦力是相互作用力”的简捷演示方案

设计了两种简捷演示静摩擦力是一对作用力和反作用力的实验方案。     

Frenkel-Kontorova模型中垫底势对最大静摩擦力的影响

用一维Frenkel-Kontorova模型,对相互接触的两个单原子分子链具有相对运动趋势时所产生的最大静摩擦力进行了研究.分别在相邻原子的距离与周期势场的周期比b/a为可公度(commensurate)、黄金分割(golden mean)、螺旋分割(spiral mean)三种情况下,描述了特殊垫底势力的振幅A与分子链静摩擦力的关系,在特殊垫底势力的作用下上层原子链弹性系数K对静摩擦力的影响.研究表明,垫底势力的形式对静摩擦力的大小有很重要的影响. 关键词： Frenkel-Kontorova模型 静摩擦力     

Frenkel-Kontorova模型中垫底势对最大静摩擦力的影响

用一维Frenkel-Kontorova模型,对相互接触的两个单原子分子链具有相对运动趋势时所产生的最大静摩擦力进行了研究.分别在相邻原子的距离与周期势场的周期比b/a为可公度(commensurate)、黄金分割(golden mean)、螺旋分割(spiral mean)三种情况下,描述了特殊垫底势力的振幅A与分子链静摩擦力的关系,在特殊垫底势力的作用下上层原子链弹性系数K对静摩擦力的影响.研究表明,垫底势力的形式对静摩擦力的大小有很重要的影响.     

摩擦力的实验研究与设计

设计了3个研究摩擦力的实验,直观地演示了摩擦力的特点和性质.