纳米颗粒在复杂生物介质中的反常扩散

由于生物微环境中存在各向异性等复杂物理因素影响,纳米颗粒在其中的扩散运动表现出反常的特征.反常扩散与生物微环境的功能实现有重要的关联,同时也是流体力学在微纳尺度方向的重要扩展.该综述系统介绍了近年来反常扩散研究的进展,从物理模型、数值模拟、测量方法及实验现象等方面揭示了纳米颗粒在复杂生物介质中的反常扩散机理及特征.该问题在微纳尺度流体力学、生物物理等领域是研究的热点,在理论上和实验时仍有重大挑战,有待进一步深入研究.      

基于显微拉曼光谱的稀酸预处理马尾松细胞壁解构机理研究

稀酸预处理可打破木质纤维原料天然抗降解屏障,提高后续酶解和发酵效率,从而使其更高效地转化为生物燃料,然而在亚细胞水平上纤维细胞壁的解构机理仍有待深入研究。采用共聚焦显微拉曼光谱技术与主成分聚类分析法结合,研究了稀酸预处理前后马尾松细胞壁区域化学变化特点。结果表明,累计贡献率高达94.61%的第一与第二主成分空间中光谱样本散点呈现规律性分布;聚类分析可准确提取细胞壁不同形态区域平均拉曼光谱。结合拉曼成像分析发现,细胞角隅木质化程度高,含有较多木质素,次生壁木质化程度低,含有较多碳水化合物。稀酸预处理导致马尾松细胞壁发生了不均一解构,其致密空间结构被破坏,次生壁中碳水化合物典型特征峰2 890 cm-1处信号强度降低了26.9%,表明碳水化合物从该区域大量脱除;碳水化合物在复合胞间层少量脱除,而细胞角隅则出现了其轻微富集。木素在稀酸预处理后发生了重新分布,细胞角隅区拉曼信号显著增强。碳水化合物(主要为半纤维素)的溶出及木质素的重新分布削弱了生物质原料的抗降解性,有利于后续酶解糖化。该研究不仅提供了一种快速、高效的纤维细胞壁区域化学分析方法,还为林木生物质高值转化的研究奠定了重要的理论基础。     

FI-KR-FAAS空气混合吸附二次气体分隔洗脱法测定海洋生物样中的痕量铅

建立了流动注射（flow injection, FI）空气混合吸附预富集编结反应器（knotted reactor, KR）二次气体分隔洗脱法与火焰原子吸收光谱法（flame atomic absorption spectrum, FAAS）联用测定海洋生物样中的痕量铅。在预富集步骤,空气、络合剂和铅溶液在线混合,空气的引入,大大提高了铅的螯合物在KR内壁的吸附效果。在洗脱前,通入一段空气流,在洗脱过程中,即在非完全洗脱时,加入一段空气流,两段空气流的引入,大大降低了被分析物在洗脱液中的分散,提高了信号响应值,从而提高了浓集系数（enhancement factor, EF）。将空气混合吸附预富集与二次气体分隔洗脱法联用,使得KR吸附富集效果和洗脱效果达到了更高的水平。和微柱的低寿命、高反压相比,KR反压小,耐酸耐碱,寿命几乎无限长,对蠕动泵的要求很低,不易造成溶液渗漏等问题。在洗脱过程进行到第5秒时输入1 s空气流作为间隔,而不是等整个洗脱过程完成以后再输入空气流,此方法的优点是：洗脱完全,而且大大降低了被分析物在洗脱过程中的分散,吸收信号值大大增加。如果单纯地把洗脱时间降到5 s,那么洗脱会非常不完全,也就是没有洗脱干净,在管路中还会残存大量的被分析物,残存的被分析物被带入下一个样品分析中,会对整个实验造成很大的误差,所有的实验数据都将不准,失去数据利用价值。所以完全的洗脱是非常必要的,必须保证一定的洗脱时间。由于随着洗脱过程的进行,洗脱下来的被分析物呈逐渐减小的趋势,在以往洗脱方法中,等到整个洗脱过程全部进行完以后,被分析物在洗脱液中的分散已经相当严重了,导致所得到吸收信号值大大减小。在洗脱过程中插入空气流,即在非完全洗脱时插入空气流,降低了被分析物在洗脱过程中的分散,同时保证了洗脱的完全,大大提高了吸收信号峰值。优化了络合剂种类、浓度和酸度,样品富集时间和流速,空气混合吸附时的空气流速和时间,洗脱前第一次通气时间,预洗脱时间,洗脱过程中第二次通气时间等实验参数。在最佳实验条件下,铅在0.005～0.6 mg·L-1浓度范围内呈现良好的线性关系,铅的检出限（3σ）为2.2 μg·L-1。将新方法与直接火焰原子吸收法、传统的FI-KR空气混合吸附预富集普通洗脱法进行了比较,结果显示本方法的浓集系数更高。将该方法应用于海洋生物样中痕量铅的测定,测得鳝鱼、对虾、虾姑、鲟鱼、舌鳎和贻贝标准中的铅含量为0.34~1.92 μg·g-1;加标量为1.0 μg·g-1时,加标回收率为93.5%~96.4%;相对标准偏差为0.52%~2.94%。用FI-KR-FAAS空气混合吸附预富集,二次气体分隔洗脱法测定海洋生物样中的痕量铅,具有富集效果好,准确度高,精密度好,浓集系数高等优点,分析结果令人满意。     

纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.     

玻璃基底Wolter-1型X射线聚焦镜研制及测试

Wolter-1型X射线聚焦镜可将掠入射的X射线反射至焦平面处,具有较强的成像探测能力,在天文探测等领域中具有重要作用.通过建立几何模型对反射镜面及反射光线方程进行理论计算,推导出了适用于以玻璃为基底材料的聚焦镜设计参数方程,可用于对此类聚焦镜进行理论设计,依据理论设计,采用具有极高表面光洁度的超薄肖特D263T玻璃经热弯成型后作为反射镜基底,在反射镜表面制备金属铱薄膜作为反射膜研制了Wolter-1型反射镜组,并使用激光三维扫描仪对所研制的聚焦镜片面型进行了测试.测试结果显示,实际镜片面型与理想镜片面型公差在10 μm以内的测试点占总测试点的50%.通过搭建可见光条件下的焦斑测试系统,使用图像采集相机采集焦斑的灰度图像,通过图像分析软件分析计算该灰度图像的灰度分布来定量分析焦斑的能量分布情况,从而确定焦斑特性参数.实验结果显示：研制出的聚焦镜片焦距为1.6 m,焦斑的半能量包围直径为0.33 mm,对应角分辨率为0.7角分.     

合成双射流控制机翼水滴撞击特性

在低速来流条件下,针对前缘位置嵌有合成射流/合成双射流激励器的机翼的水滴撞击特性开展了数值模拟研究,基于Fluent软件,采用Euler气液两相模型和欧拉壁面液膜（Eulerian wall film,EWF）模型,得到的计算结果表明:在合成射流或合成双射流的主动控制下,阻挡了机翼前缘等积冰重点防护区域内的水滴撞击,从而大幅降低了该区域的结冰强度.其机理是:在高频合成射流的作用下,机翼前缘上游附近形成了一对稳定的闭合回流区,形成了水滴的"真空区域".由于回流区内部水滴速度和质量分数较低,改变了机翼前缘水滴运动轨迹和水滴收集率分布,能够减少机翼前缘结冰程度并改变冰形,起到了虚拟气动外形的作用.      

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。     

基于图像块能量梯度的多聚焦图像融合

针对多聚焦图像,提出一种基于图像分块的融合方法。将源图像分为大小相同数量相等的子块,采用能量梯度算子作为对焦评价函数,计算各个图像子块能量梯度匹配度,设置匹配度阈值分离出源图像中的清晰区域。源图像中的清晰区域直接作为融合图像相应的区域,其它区域的处理中,构造与相应子块能量梯度大小相关的图像序列,以及像素点到各个子块中心距离相关的融合函数,然后用融合函数对图像序列融合。实验结果表明该方法有效性和合理性。     

喷丸镍基合金材料微区残余应力的切槽法测量研究

本文结合聚焦离子束-电子束(Focused ion beam-electron beam,简称FIB-EB)双束系统和真空镀膜工艺,进行微区散斑的制备工艺研究,并将所发展的微散斑制备工艺应用于喷丸镍基合金材料表面制斑,进而结合切槽法进行残余应力高温释放规律的测量研究。在FIB-EB双束系统下记录切槽前后制斑微区的图像,利用数字图像相关法计算切槽后的位移,结合InglisMuskhelishvili理论公式可计算得到残余应力。文中研究了不同温度及保温时间对残余应力释放的影响规律。结果表明,残余应力随保温时间的增长释放速度逐渐减小,最后残余应力趋于稳定值。同时,温度越高,残余应力释放越彻底,800℃下近乎完全释放。该工艺具有适用性好,效率高等优点,可望在材料微区变形测量中得到进一步应用。     

三角形格构式塔身体型系数及屏蔽特性研究Study on shape coefficient and shielding effects of triangular latticed tower body

为满足高压／特高压输电铁塔风致倒塌问题对铁塔体型系数的精准度需求,研究了完全结构化多块网格对格构式三角形输电塔塔身流场的模拟能力,探讨了不同规范体型系数对某铁塔的适用性,并分析了塔身杆件复杂流动干扰作用下的屏蔽特性。结果表明,数值模拟与风洞试验的体型系数吻合很好;完全结构化网格能高保真、高度正交地对铁塔塔身这类复杂空间桁架流场进行离散;《英国杆塔荷载规范》的规定结果虽偏于保守,但其趋势最为接近真实值;在塔身桁架结构各个杆件之间流动干扰作用下,角钢弯折角朝向来流比背向来流的屏蔽作用更强;斜材弯折角背向气流和竖向辅助材弯折角朝向气流的组合之间的流动干扰,使得其对气流的屏蔽作用最强。