纳米胶体团聚现象的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟可极化纳米胶体在非均匀电场下的介电泳情况,通过改变电场强度和系统温度,分析纳米胶体的团聚现象.常温状态下的仿真结果表明,虽然布朗力能影响纳米胶体的介电泳状况,但当纳米胶体之间的距离小于12σ时,其相互吸引力迅速增大,从而克服布朗力影响,使胶体产生团聚.当布朗力对胶体运动影响较小时,电场强度增大使得胶体所受的介电泳力增大,相应地胶体所受的吸引力也增大,最终导致胶体的聚集速度变快.仿真结果也显示系统温度的升高使得胶体所受的布朗力增大,从而影响纳米胶体的团聚.最后,采用DLVO理论对相互作用的胶体运动状态进行研究,得出胶体的位能曲线图和胶体间吸引力随胶体中心距变化的曲线图,并将后者与分子动力学方法得出的结论进行对比,发现这两条曲线的变化趋势基本相同,这说明本文的仿真模型是符合理论的.     

基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵平台关键技术

在分析介电泳的微纳米生物粒子操纵研究现状和存在问题基础上,研究了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵的理论基础和建模仿真,给出了光诱导介电泳芯片在空间电场分布和不同高度介电泳力分布关系．在此基础上进行微操纵系统的核心部件——光电导层芯片的选材、制作工艺和性能分析测试,给出了悬浮液层分压和有效电压频谱关系图．最后,组合机器视觉检测与实时跟踪子系统,构建了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵实验平台,完成了对微纳米生物粒子快速聚集、输运、分离等操纵实验,为建立以微流控芯片为基础的重大疾病的快速、准确、低成本的检测和早期诊断提供了基础．     

基于光诱导介电泳的微粒子过滤、输运、富集和聚焦的实验研究

在继承传统介电泳技术在微纳米生物粒子操纵领域优势的同时,如何提供动态可重构微电极并降低制作成本,成为解决介电泳技术应用中的瓶颈问题,而基于光电效应原理的光诱导介电泳的提出,为解决此问题提供了可行的方案.本文在设计制造光诱导介电泳芯片的基础上,搭建了基于光诱导介电泳操纵微粒子的实验平台,并对不同尺度的微粒子进行了过滤、输运、富集和聚焦等四种操纵功能的实现,同时并对各种操纵功能的性能进行了定量分析.结果表明,光诱导介电泳的操纵功能和操控性能与缩微光学图形的形状、尺寸、移动速度,激励信号的频率以及溶液电导率等参数相关.增加光线条宽度,一般能使操纵效率提高约50%以上,且聚焦时改变光线条倾角亦会明显影响聚焦效率.粒子的输运速率与捕获光圈的内半径和厚度成正比单调增加关系.粒子的最大同步速率与激励信号频率和溶液电导率成非线性关系,且在溶液电导率范围为5×10？4~5×10？3 S/m时具有良好的操纵性能和较高操纵效率.     

介电泳技术在生物信号检测和相分离阻变材料中的应用

介电泳是操纵微纳米级粒子的强大工具,已经在生物细胞和无机微粒的分离、检测、操控方面得到了广泛的应用.本文突破对介电泳技术的传统定位,简要介绍介电泳效应的两例新的应用.首先是和新兴的纳米孔技术结合,利用介电泳的富集效应,在微纳环境下对单分子行为进行操控,解决目前纳米孔基因测序面临的通量低等难题.其次在某些相分离固体材料中,介电泳可以通过调节电子相的几何结构引起渗流,从而实现电致阻变效应.这些研究不仅扩大了介电泳技术的应用范围,且具有多学科技术交叉融合的特点,为生物检测技术的开发创新以及新型功能材料的设计提供了新的思路.     

银氨溶液浸润的二氧化硅微球表面的银镜反应

采用银镜反应的方法,实现了在二氧化硅微球表面纳米银粒子的制备.通过改变反应温度、银氨溶液的浓度、还原剂的种类以及离心洗涤的次数,可以时纳米银粒子的粒径、包覆程度和反应速度进行调节.纳米银粒子包覆的二氧化硅胶体微球的微观结构可利用透射电子显微镜(TEM)进行表征.     

疏水表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体传输与混合.针对具有一定滑移长度的疏水表面微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,研究了微通道高度、电场强度和溶液浓度等对EOF的影响.结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在ms量级,大小与微通道高度的平方成正比;EOF速度大小与电场强度成正比,与微通道高度无关;由于边界滑移的存在,疏水表面比亲水表面EOF速度明显增大,且随着溶液浓度的增大,EOF速度增大相对要大的多.该结论对于具有一定滑移长度的疏水表面微通道内EOF的精确操控具有一定的参考意义.     

光诱导介电泳微操纵过程中的光电旋转

本文从电路模型、有限元建模和分析及物理实验三个方面，深入理解并首次验证了在光诱导介电泳芯片中因光电增益不仅存在因亮暗分压（电场幅值非均匀分布）而产生的第一类光诱导介电泳力，而且还存在由亮暗相位差（电场相位非均匀分布）而产生的第二类光诱导介电泳力，以及因存在光致旋转电场而产生的光诱导电旋转现象，解决了目前介电泳力理论计算因采用仅考虑光致分压效应的简化电偶极矩模型而造成实际光诱导介电泳力被低估的困局．同时通过对相应过程的有限元数值模拟，以及酵母菌细胞的光控电旋转实验确认了光诱导电旋转现象的真实存在，得出了光诱导电旋转转向与微粒相对于光电极边缘的位置有关且对应旋转速率与二者相对距离成反比的一般规律，并发现在三电极式光诱导电旋转芯片结构中对应扭矩分布极不均匀且相应位置的光诱导介电泳力不利于对应微粒的定轴旋转．为此，提出了具有对称相位角分布的双层四电极式光诱导电旋转设计方案，为后续光诱导介电泳芯片实现生物粒子微操纵与介电频谱测量一体化提供了必要的理论准备及技术支撑．     

高电场下弛豫铁电体的场致效应

弛豫铁电体在热释电、介电、电场调制微波器件和电致伸缩器件方面有着广泛的应用.这些应用均涉及电场的作用.因电场会导致极化强度增大,并连续地延伸到顺电相,从而产生了电场诱导效应.用弯曲近似法对极化强度在电场作用下随温度的连续变化做近似,得到了介电系数峰值在高场下随电场2/3次方的变化规律.与介电峰在电场作用下移动的实验结果基本一致.理论数值模拟发现:存在一个与热力学参量相关的极化温度系数,其值越大,场致介电移峰效应越小,且热释电系数越大;反之,如果场致介电移峰效应越大,电场调制微波器件的介电可调性及可调性的温度稳定性会越好.上述研究结果对掺杂改性研究微波器件的介电可调性和热释电性有一定的参考作用.     

界面动力学对共晶生长过程的影响

在共晶生长理论模型中引入了界面原子附着动力学, 考察了各种结构类型相形成共晶时的动力学效应. 发现动力学项的引入, 扩大了共晶耦合生长的过冷度范围, 降低了共晶生长速度, 但对片间距的最小值无影响. 动力学效应不仅与晶体生长速度有关, 同时受相图结构的影响, 当共晶组成相在共晶成分时的结晶温度范围增大时, 动力学的影响减弱.     

基于磁力场与速度场协同的高效微通道磁泳分离

磁泳是实现生化分离的重要手段之一.根据微通道内磁珠运动基本方程导出了影响磁泳分离效率的新因素,即磁场力矢量与流体速度矢量的夹角,提出改善磁力场与流场的协同性是提高磁泳分离效率的重要途径之一,并基于此设计了T型结构微通道磁泳分离芯片.通过建立磁珠运动的二维动力学模型,并运用有限元和龙格库塔法,对微通道内的磁泳分离效率进行了数值模拟研究.结果发现：相同条件下T型微通道分离效率较普通平直微通道明显提高;在高流速下直通道对小粒径磁珠的磁泳分离失效时,T型微通道仍能实现高效分离.进一步分析表明,T型微通道内分离效率提高的本质在于磁力场与流场的协同作用使得磁珠产生更大的偏转速度,从而增加了分离效率.研究结果对磁泳芯片优化设计具有理论指导意义.     

铁电体的极化储能效应

三维铁电体的偶极子等概率地分布在晶格取向相关的特定极化方向上.外加电场后,各个方向的偶极子对电场的响应不同,导致了各种场致效应.最基本的效应是电场对极化强度在相变温区的诱导和转向,导致铁电体在相应温区实现了高的储能密度效应.基于铁电体德文希尔理论三维吉布斯自由能与极化强度的关系,得到了二阶相变铁电体偶极子的诱导及取向对极化储能密度和放电能量密度的影响.研究结果显示:低电场下储能峰低于居里温度,并随电场增大接近并超过居里温度;两个铁电参量的比值对铁电体的极化行为、电滞回线和储能密度具有关键影响并使其相互关联.同时还发现介电峰的温度宽度对应电滞回线形状变化的温度宽度和储能密度峰的温度宽度,且储能密度峰越高,峰的温区越窄.     

天然雪的风洞实验研究

风洞实验通常采用的人造雪并不能完全真实有效的反映出自然界中风吹雪的运动规律.本文将雪层结构没有受到干扰的两种雪样（新雪和老雪）置于风洞内进行实验.结果表明：新雪的起动风速小于老雪;两种雪样的输雪量随着高度的增加均以指数的形式递减;单宽输雪率随风速的增大以指数形式递增.利用粒子图像测速系统（PIV）对两种地形下（平坦床面和路基）风吹雪中雪粒的速度进行测量,结果表明：在测量区域内雪粒速度在平坦床面时呈高斯分布函数,在路基表面和背风坡也满足这一分布函数;迎风坡处雪粒的速度分布与高斯分布函数的相关性较差.对近床面的雪粒速度统计结果表明不同风速下雪粒的冲击速度和起跳速度均服从高斯分布函数.     

极寒环境下铁路扣件新型网孔式弹性垫板动力性能及影响研究

为研究新型网孔式弹性垫板在极寒环境中的动力性能,建立网孔式弹性垫板三维有限元模型,选用MooneyRivlin本构模型和温度因子模拟不同温度下橡胶材料的力学性能,分析网孔式弹性垫板动刚度和阻尼系数的温变特性;并基于车辆-轨道耦合动力学理论,计算和分析网孔式弹性垫板在极寒条件下的行车安全性和平稳性,评价网孔式弹性垫板在极寒环境中的适用性.研究结果表明:网孔式弹性垫板具有明显的低温敏感性,当温度在-10℃之上时,弹性垫板的动刚度和阻尼系数变化较为稳定,当温度低于-10℃时,弹性垫板的动刚度和阻尼系数随温度降低而急剧增大.温变条件下网孔式弹性垫板对车辆-轨道系统动力学性能有明显的影响:轮轨力和轮重减载率随温度的降低而显著增大,钢轨的垂向动位移量随温度的降低而减小;在极寒的环境中,高速列车的轮重减载率急剧增大,应采用降低列车运行速度的方法确保列车运行安全.     

新型矩阵式微射流热沉性能分析

设计一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉,采用实验和数值模拟方法对热沉性能进行了研究.在稳态条件下,获得了不同运行和结构参数时被冷却表面的温度分布、流体的速度场以及系统压损.结果表明:冲击距离对热沉性能影响较大,其值越小,平均努赛尔数越大,被冷却表面的平均温度越低,换热均匀性越好;被冷却表面平均温度与气体体积流量成反比;系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大,雷诺数大于5500以后,压损急剧增加;换热均匀性与气体体积流量成反比,气体体积流量越大,换热均匀性越好.     

基于重要性测度的一箭多星分离安全性分析

对于一箭多星发射任务,各颗卫星分离速度及分离角度可能存在一定误差,使得分离后星间距离存在不确定性,从而影响分离安全性.为提高一箭多星分离安全性,利用重要性测度分析方法对卫星入轨分离后的星间距离开展研究.提出了基于移动最小二乘的重要性测度指标求解新方法,数值算例表明新计算方法相比传统的Monte Carlo方法和Saltelli方法效率更高.针对分离后星间距离过于接近的情况,重要性测度分析方法能够有效识别出对星间距离影响较大的变量,对这些变量的分布参数进行优化调整后,星间最小距离明显增大且不确定性降低,从而保证了一箭多星的分离安全性.     

多体系统动力学指标-2超定运动方程HHT积分改进方法

完整约束多体系统动力学运动方程是指标-3微分-代数方程(differential-algebraic equations,DAEs).速度约束方程通过对位置约束方程求导得到,将其并入指标-3运动方程,可得到指标-2超定DAEs形式的运动方程.对基于结构动力学中HHT(Hilber-Hughs-Taylor)方法的求解指标-2超定运动方程的HHT-SI2方法进行改进.首先,仅对HHT-SI2方法的校正项进行改进,仍引入两个未知数向量.改进后再求解离散得到的非线性方程组时,Jacobian矩阵的条件数减小,方法对步长的限制降低.其次,通过改变校正项的形式,仅引入一个未知数向量,使得非线性方程组的求解规模变小,方法的求解速度得到明显提高.随后,两种改进方法的有效性通过数值实验得到验证,并对改进方法与HHT-SI2方法从计算速度和步长限制角度进行了比较.数值实验还表明两种改进方法都具有二阶精度,数值阻尼是可以控制的.最后对两种改进方法与已有的类似方法进行了分析比较,指出了新方法的优势所在.     

相界附近Pb(Zn1/3Nb2/3)O3PbZrO3PbTiO3固溶体的介电性能

通过对相界附近的Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3(PZN-PZ-PT)固溶体的介电性能研究发现,在介电峰附近所有样品的介电-温度关系曲线都具有弛豫性相变特征;Zr/Ti比的变化对介电温度特性曲线有重要影响,随着Zr/Ti比的增加,其弛豫程度明显增加;菱方相区的样品在测量温度范围内都呈现典型的弛豫型铁电体特征;对四方相区的样品而言,在低于介电峰值温度的某一临界温度时,发生了正常铁电体-弛豫铁电体自发相变,利用热激发电流证明了该正常铁电体-弛豫铁电体自发相变的存在.透射电子显微分析表明四方相样品具有典型的90°宏畴形貌,而菱方相区的样品则具有纳米尺寸的微畴形貌.     

相界附近Pb（Zn1／3Nb2／3）O3—PbZrO3—PbTiO3固溶体的介电性能

通过对相界附近的Pb(Zn1/3 Nb2 /3 )O3 PbZrO3 PbTiO3 (PZN PZ PT)固溶体的介电性能研究发现 ,在介电峰附近所有样品的介电 温度关系曲线都具有弛豫性相变特征 ;Zr/Ti比的变化对介电温度特性曲线有重要影响 ,随着Zr/Ti比的增加 ,其弛豫程度明显增加 ;菱方相区的样品在测量温度范围内都呈现典型的弛豫型铁电体特征 ;对四方相区的样品而言 ,在低于介电峰值温度的某一临界温度时 ,发生了正常铁电体 弛豫铁电体自发相变 ,利用热激发电流证明了该正常铁电体 弛豫铁电体自发相变的存在 .透射电子显微分析表明四方相样品具有典型的 90°宏畴形貌 ,而菱方相区的样品则具有纳米尺寸的微畴形貌 .     

液固比对铁粒子形貌、结构、电导率和微波电磁特性的影响

采用球磨工艺,仅通过控制液固比λ得到不同形貌和结构的铁粒子.研究了λ对铁粒子的形貌、结构、电导率、微波电磁和吸收特性的影响规律.结果表明,随λ在0～0.25范围内增大,球磨过程中的焊合和微锻作用分别减弱和增强,导致铁粒子的高活性原子面和形状各向异性分别减小和增大.这使铁粒子的电导率在88.50～2.25 S.cm·1范围内非线性降低,而电磁参数呈规律性变化.其中,湿磨（λ=0.08～0.25）得到的片状铁粒子具有比干磨（λ=0）获得的不规则铁粒子更低的电导率、更高的介电常数、磁导率和吸波性能.这主要得益于片状结构产生的介电驰豫损耗、交换能和电导损耗的协同作用.这表明通过改变λ能有效地调控产物的结构形貌、电导率、微波电磁和吸收特性.     

纳米流体的格子Boltzmann模拟

纳米流体是由流体与纳米粒子组成的胶体悬浮物, 与普通固液两相流相比, 其传热性能明显增强. 悬浮在流体中的纳米粒子会受到运动阻力、Brown力、粒子间扩散力、重力等内力或外力的影响, 因而其运动规律极其复杂. 根据纳米流体中粒子和液体介质的受力关系, 建立了纳米流体的格子Boltzmann流动与传热模型, 并用于分析纳米粒子的动态分布.