蝴蝶翅膀表面非光滑形态疏水机理

利用扫描电子显微镜和视频光学接触角测量仪, 对我国东北地区典型常见的6科24属29种蝴蝶翅膀非光滑表面的形态、疏水性及疏水机理进行了研究. 鳞片表面由亚微米级纵肋及横向连接组成, 鳞片间距为48~91 μm, 长为65~150 μm, 宽为35~70 μm. 鳞片上亚微米级纵肋间距为1.06~2.74 μm, 高为200~900 nm, 宽为200~840 nm. 蝴蝶翅膀表面较强的疏水性(静态接触角136.3°~156.6°)是翅膀表面微米级鳞片和亚微米级纵肋结构协同作用的结果. 对Cassie方程进行了修正, 建立了新的数学模型及方程.     

仿荷叶微凹凸表面的疏水机理与判据

根据液滴在有限液固界面上接触角恒增大原理,提出仿荷叶微凹凸表面提高疏水性是众多小尺寸有限液固界面所集成的结果.建立了液滴在类荷叶结构表面的稳定性数学方程,推导出微凹凸表面空隙的理论临界半径与固体、液体性质之间的关系,阐述了实现疏水性的3个条件.计算结果表明,当微凹凸表面空隙半径小于理论临界半径rc时,液滴在固体表面均可呈现接触角大于90°的稳定状态,而液固界面面积的最小化以及低的固体表面能是实现疏水性的重要因素.提出用有效黏附功W′a作为衡量固体表面疏水能力的判据.     

蚊子腿表面多级微纳结构的超疏水特性

蚊子是一种能够在水面自由起落、行走、产卵而从不溺水的两栖昆虫.报道了蚊子腿表面的超疏水机理.单根蚊子后腿在水面上的静态承载力平均可达600μN,是整个蚊子体重的20多倍,而利用柔软细钢丝做成的外观形状、结构和尺寸与蚊子腿几乎一致的"钢丝腿",其水面承载力仅为85μN.扫描电子显微镜观察发现,蚊子腿表面被大量有序排列的、瓦片状的、尺寸在十微米级的空心鳞片覆盖,鳞片表面整齐排列了亚微米级的纵肋和纳米级的横筋结构蚊子腿部表面具有很强的疏水性,静态接触角约为153°.理论分析表明,蚊子腿表面上的微纳多级结构是其具有超疏水性和高可靠性表面承载力的根本原因.     

碧凤蝶翅膀上的一维光子结构

碧凤蝶(Papilio bianor ganesa)的前翅呈现闪亮的绿色. 通过结构分析、光谱测量及理论模拟详细研究了其闪亮绿色的产生机理, 发现闪亮的绿色来源于单个鳞片体内的一维周期性结构. 它是由一壳质层(chitin)和一空气-隔离层(air-spacer)周期性排列组成, 共有 9 个周期. 测量了样品的反射光谱, 发现在正入射时, 反射峰位于人眼感知的黄绿色区域; 在斜入射时, 反射峰向蓝色区域移动. 根据其结构特征建立了简单的多层膜模型, 并利用长波近似理论和传输矩阵方法计算了这种结构的反射谱, 通过理论模拟, 这种周期性模型随着入射角的增大, 反射峰波长由黄绿色区域向蓝色区域移动, 与实验结果一致.     

吸附在具有特定电荷分布表面的单层水可在常温下表现出疏水性

低温下固体表面吸附的一层水具有类似冰的结构而表现出疏水特性,而在常温下固体表面的水层是亲水的.中国科学院上海应用物理研究所方海平研究小组通过分子动力学模拟证实:具有特殊电荷排布的固体表面,可使吸附     

外围全氟取代的1, 3, 5-三苯乙烯基苯: 真空沉积膜的表面形貌与疏水性能

报道了全反式-1, 3, 5-三(2′, 3′, 4′, 5′, 6′-五氟苯乙烯基)-苯(TPFSB)的合成及其真空沉积膜的性能. 原子力显微镜(AFM)观测发现, 真空沉积在石英衬底上的TPFSB薄膜的表面形貌依赖于薄膜厚度, 厚度小于30 nm时, 薄膜呈现孤岛状生长模式; 当厚度大于30 nm时, 衬底表面大部分被覆盖, 表面形貌呈现微纳米镶嵌的等级结构. 当薄膜厚度从40 nm增大到100 nm, 衬底温度从30℃升高到70℃时, 这种等级结构保持不变, 表现出良好的形态稳定性. 在50 nm厚的薄膜表面, 10 mg水滴的接触角为149°, 证明薄膜具有优良的疏水性能.     

应用耦合映象格子模型模拟Rayleigh-Bénard对流中的结构形态

应用耦合映象格子(CML)模型对Rayleigh-Bénard对流(RBC)的结构形态作了数值模拟. 在展高比较小(L/d=5)的情况下, 数值模拟再现了实验中观察到的流动由层流过渡到软湍流再过渡到硬湍流的主要特征以及水平截面内的胞状结构. 在展高比较大(L/d=30)的情况下, 数值模拟成功地再现了近年来在实验中发现的螺旋-缺陷混沌和靶标型结构. 同时证实, 对于Pr=1的流体, 在偏离平衡态的初始阶段的同一参数范围内, 大展高比RBC中的理想直涡卷和螺旋-缺陷混沌是相互竞争的两个吸引子, 而初始条件对于形成这两种结构形态中的哪一种起决定性作用. 对于Pr=4的流体, 大展高比RBC中的结构形态主要呈靶标形, 其尺度和分布形态亦显著地取决于初始条件.     

黄斑大蚊的喜湿性及其翅膀、腿表面的超疏水性

黄斑大蚊的翅膀、腿表面有很好的超疏水性, 水滴在其表面的静态接触角分别为150°,155°, 滚动角接近5°, 通过扫描电子显微镜观察发现, 在黄斑大蚊的翅膀、腿表面分布有大量呈规则排列的微纳米级复合凹槽、乳突, 复合结构及其表面的低表面能物质的协同作用使其表面具有良好的超疏水性, 这一特性使黄斑大蚊能在潮湿的环境中自由生存. 本文用 Cassie 理论对这种超疏水性进行了理论分析.     

沙尘暴颗粒物表面的元素存在形态和组成

对北京沙尘暴期间和北京及沙尘暴源区内蒙古多伦地区常日气溶胶颗粒物进行了X射线光电子能谱(XPS)表面元素化学形态表征. 颗粒物表面铁主要以氧化物、硫酸盐、硅酸盐、FeOOH的形式存在, 还有部分附着、粘附在SiO2, Al2O3颗粒上. 颗粒物表面的硫主要以硫酸盐存在. Al, Si主要以Al2O3, SiO2的形态存在. 最重要的发现是在沙尘暴高峰过后的当天夜里和第二天, 颗粒物表面以二价铁形式存在的FeS和FeSO4高达44.3%和45.6%, 而以三价铁形式存在的Fe2(SO4)3由沙尘暴高峰期间的67.1%降为49.5%和48.0%. S和Fe在颗粒物表面都相对富集. 沙尘暴颗粒物整体样品中的Fe(Ⅱ)占总铁的1.3%~5.3%. 这些数据提供了气溶胶长距离传输中铁-硫耦合机制的重要证据, 进一步证实了沙尘暴对全球环境变化可能的重要影响.     

热电材料中自旋轨道耦合效应对电输运的影响

自旋量子效应对材料电输运性质的影响,是一个物理和材料领域的基础问题。热电材料能够实现电能和热能相互转换,其往往含有重元素,自旋轨道耦合效应对电性能的影响不容忽视。自旋轨道耦合造成的Zeeman型能带劈裂效应降低能带带边的简并度和能态密度,对热电材料的输运性质不利;而自旋熵和Rashba型自旋劈裂效应对热电性质有益,其中的Rashba自旋劈裂效应能够产生新奇的低维化电输运。拓扑绝缘体中非平庸电子结构对电输运调控提供新的方向。     

超快太赫兹表面等离子波与非谐振传输场的耦合

亚波长周期孔阵列的太赫兹脉冲透射光谱与孔宽度有关. 在最佳孔宽条件下, 绝对能量透过率达到最大值. 随着孔宽度的增加, 光谱的线宽增加, 峰值频率发生蓝移. 该现象是电磁场通过孔阵列时, 表面等离子波谐振激发与非谐振传输场之间互相耦合的结果. 采用Fano模型对其进行了理论拟合, 并实验测量了随入射角度变化的等离子波传输谱带结构.     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.     

刻蚀法制备具有减反增透和超疏水性质的玻璃表面

通过简单的一步水热碱性刻蚀,然后经低表面能物质1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷修饰,成功获得了具有超疏水性质和高透光率的玻璃表面.考察了刻蚀温度和刻蚀时间对玻璃润湿性和透光性的影响.结果表明,随着刻蚀温度的升高或刻蚀时间的增长,玻璃表面的疏水性越好;在所考察的刻蚀温度和刻蚀时间范围内,随着刻蚀温度升高或刻蚀时间增长,样品的透光率先增大后减小.此外,分析并讨论了玻璃表面微观结构对样品润湿性和透光性的影响.本研究在120 min,85℃实验条件下,获得了接触角为152°,滚动角小于4°,最大透光率达98.1%(537 nm)的玻璃表面.     

蛋白质在纳米拓扑结构材料表面的吸附

蛋白质在生物医用材料表面的吸附行为与材料的生物相容性密切相关. 长期以来, 大量的研究报道基本上都集中在生物医用材料表面化学组成对蛋白质吸附行为的影响, 而单独考察材料表面拓扑结构对蛋白质吸附行为影响的研究近年来才刚刚开始. 本文介绍了材料表面纳米拓扑结构对蛋白质吸附行为影响的研究进展. 所涉及的材料表面纳米尺度拓扑变量包括粗糙度、曲面曲率和特定几何形状 等, 而蛋白质的吸附行为则包括蛋白质吸附量、吸附后蛋白质的活性和吸附蛋白层的形貌等.     

中温烧结SBN铁电陶瓷的制备与性能

在压电陶瓷领域中,钨青铜结构的铌酸盐是最优秀的铁电材料之一.单晶铁电钨青铜结构中铌酸盐具有优良的电光性能,Van Damme报道Sr_xBa_(1-x)Nb_2O_6陶瓷有类似于单晶的性能,Kimura研究了KSr_2Nb_5O_(15)铁电材料,探讨了其Curie温度和介电常数与显微结构的关系.本文报道的Sr_(1-x)Ba_xNb_2O_6(SNB)可用来做电容器材料,有介质电系数高、容量随温度变化小、介质损耗小、绝缘电阻高等优点.较之以前报道过的此类材料各项参数均有显著的改进.     

一种银(Ⅰ)配合物反铁磁性耦合机理的分子轨道研究

采用密度泛函理论结合对称性破损方法, 研究了一种氮氧自由基Ag(Ⅰ)配合物的反铁磁性耦合机理. 通过磁性-结构相关性研究和单占据分子轨道分析表明, 氮氧自由基间存在通过Ag(Ⅰ)离子的反铁磁性超交换耦合, Ag(Ⅰ)离子在其中起到了重要的桥梁作用. 自旋集居数显示, 沿ONCNO-Ag- ONCNO链有弱的自旋离域, 同时也表明了其反铁磁性超交换耦合路径的存在. 研究还发现, Ag(Ⅰ)与氮氧自由基中氧原子的Ag—O键的确为具有明显离子特性的非典型共价键, 正是通过此键引发了氮氧自由基间的反铁磁性耦合.     

镧掺杂铅铁氧体的磁电耦合效应

<正>多铁性材料是指在一定温度范围内同时存在铁磁序和铁电序的体系.近年来,由于铁磁序和铁电序共存耦合而产生的磁电效应,使多铁性材料蕴含着广阔的应用前景,如具有记忆功能的存储器等.然而现有的多铁性化合物却非常稀少,而且绝大多数已发现的多铁性材料的磁电耦合特征,只有在特定的环境条件下才能表现出来(如低温).因此,发现一种室温下能同时展现出较强的铁磁性和较大的铁电性并具备一定磁电耦合效应的单相多铁性化合物,将具有里程碑式的意义.谭国龙课题组研究发现,六角M-型铁氧体正好具备多铁性和磁电耦合效应.     

表面等离激元的调控研究与应用

随着对表面等离激元(SPPs)研究的日益深入和高精度纳米加工技术的不断进步, 表面等离激元亚波长光学得到迅速的发展. 由于SPPs具有表面局域和近场增强等特性, 在纳米光子学、能源、传感探测、生命科学等领域均有重要应用. 基于SPPs的特点, 介绍了材料、结构、材料和结构的复合以及柱面矢量光场对SPPs的调控特性及其应用.     

Sc和Ti对纯铝细化机理的价电子结构分析

传统的相图理论和晶体界面共格理论无法从本质上解释Sc和Ti对纯铝及铝合金的细化作用差别的机理. 运用固体与分子经验电子理论(EET)研究了Al-Ti, Al-Sc两种合金的价电子结构, 通过计算共价键电子对数、界面电子密度差, 指出两种合金形核质点的晶体共价电子对数目多少、第二相颗粒与基体界面电子密度差的不同等因素, 是造成Sc, Ti对纯铝细化作用差别的本质原因.