低温保护剂微液滴在液氮表面的Leidenfrost效应及分析

借助红外摄像和图像分析技术,并结合非等温结晶动力学模型理论分析,系统研究了微量低温保护剂溶液在液氮表面的Leidenfrost效应及其影响因素.研究结果表明:微水滴的相变温度最高(约273K),最大结晶度变化率达到3×10~(-2),最大运动速度值为100~130mm/s,但其Leidenfrost时间最短;随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度降低(20%和50%甘油分别约为250和225K),结晶变化率显著减小(20%和50%甘油分别约为1.4×10~(-3)和7×10~(-7)),其最大运动速度值也会降低(20%和50%甘油分别为90~120和85~105mm/s),且Leidenfrost时间会随着浓度增大而增长;Vs55的相变温度最低(约158K),结晶度变化率最小(约2.8×10~(-16)),最大运动速度值降低到75~95mm/s,且其Leidenfrost时间最长(约是水的2~3倍);微液滴体积越大,其Leidengfrost时间越长,但对低浓度溶液(水和20%甘油)最大运动速度的影响不大,而对于高浓度溶液(50%甘油和Vs55)则是呈现出"体积越大,速度越快"的变化趋势.这些结论对于微液滴玻璃化保存生物样本方案的优化设计具有重要的指导意义.     

晶硅电池温变过程中的输出参数及温度场特性

利用有限差分法,分析了环境温度从250 K变化到500 K,且电池前后表面存在两种温差时,晶硅电池输出参数的温度特性及电池内部温度场的分布情况.研究表明:当电池前后表面温度相同,且温度逐渐增加时,短路电流基本不变,开路电压以0.02 V/K的速率线性减小,电池效率以0.07%/K的速率线性降低,温度场分布不均匀现象主要集中在接近电池前后表面的区域,最大温度梯度达?0.0002 K/?m;当电池前后表面存在1.5 K温差,且温度逐渐增加时,电池各输出参数均出现不同程度的改善,特别是开路电压相对无温差时可增加0.25%~1.2%,电池效率相对无温差时可增加0.4%~1.5%,温度场分布出现明显偏离由前后表面温差决定的温度梯度(0.0075K/?m)的现象.     

基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试

微纳尺度下的水合物力学特性对厘清外荷载下孔隙中水合物与沉积物骨架相互作用机制以及揭示含水合物沉积物宏观力学行为机理具有重要意义.本文使用改装的低温原子力显微镜和直径5μm的二氧化硅(SiO2)微球胶体探针对四氢呋喃(THF)水合物进行了测试.在温度-30℃～-10℃和探针驱动速率0.5～20.0μm/s条件下,获得了微球压入THF水合物样品的深度、接触时间与接触力之间的关系以及微球与THF水合物样品间的黏附力.结果显示:压入过程中THF水合物产生了塑性变形,压入诱发的水合物相变可能进一步增强了塑性行为.在相同接触力作用下压入速率越小或温度越高, THF水合物的硬度越小且塑性行为越明显. THF水合物的屈服应力存在阈值(或者临界效应),这可能是导致含水合物沉积物应变硬化和应变软化现象的重要原因之一.基于修改后的幂率流变(PLR)黏弹性模型,低驱动速率和相对高温条件下THF水合物的黏弹性更显著. THF水合物表面的似液层和分解液在样品与微球间形成的液桥是两者间产生黏附力的主要原因,在温度-30℃～-10℃范围内黏附力约1.1～2.5μN,它主要与脱离前两者间的接触面积有关.     

HRP在L-半胱氨酸自组膜上的固定化及其对H2O2的催化还原作用

在金盘电极表面制备L-半胱氨酸(L-Cys)自组装单分子膜,通过调节溶液的酸度使辣根过氧化物酶(HRP)带有正电荷,利用控制电位的方法在L-Cys自组装单分子膜上组装HRP,制备出辣根过氧化物酶/L-半胱氨酸/金电极(HRP/L-Cys/Au),进而研究金表面上固定化HRP的电化学表征方法以及对H2O2的催化还原作用。结果表明,该固定方法能很好地保持酶的催化活性,能有效催化H2O2分解,所制备的HRP/L-Cys/Au电极在2.2×10-5~2.2×10-2mol/L范围内,还原峰电流与H2O2的浓度呈良好线性关系,相关系数为0.996,对H2O2的检测下限为2.2×10-5mol/L,本文为生物分子的固定化提供了一种较好的方法,对生物传感器的研究具有重要意义。     

考虑压装和实测动应力的含缺陷空心车轴剩余寿命评估

实测获得时速385 km高速列车空心车轴的动应力后,基于线弹性断裂力学和塑性致裂纹闭合效应,采用20节点等参退化奇异单元逼近裂纹前缘,建立考虑车轮、齿轮与车轴的压装配合约束,分别在轴肩、轮-轴压装区、轮-齿过渡区或卸荷槽、齿-轴压装区和轴身等5个部位插入垂直于车轴中心线的半椭圆形裂纹,对含缺陷车轴进行损伤容限分析和剩余寿命评估.研究发现,对于深度为2 mm的单个半椭圆形表面裂纹,含缺陷轮-轴卸荷槽、轴肩、轮-轴压装区和齿-轴压装区的可运行总寿命分别约为7.9×10~4,58.7×10~4,372.5×10~4和823.9×10~4 km,由于轴身中部的裂纹尖端为典型的压缩应力状态,判定其不扩展.分析结果为我国更高速度级空心车轴安全设计与可靠服役提供了重要的理论依据和科学支撑.     

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.     

外加磁场对掺杂TiO2薄膜光催化活性的影响

利用外加匀强磁场辅助掺杂TiO2光催化降解偶氮胭脂红B溶液,实验探讨了外加磁场强度对Fe3 、Ni2 、Cu2 掺杂TiO2薄膜光催化活性的影响.结果 表明:外加磁场使掺杂Ni2 /TiO2、Fe3 /TiO2薄膜的光催化活性降低,在磁感应强度为0.7×10-2T时,催化剂Fe3 /TiO2几乎完全失活,光催化降解率低于2.0%,而掺杂0.5% Cu2 /TiO2薄膜的光催化活性在磁场辅助下光催化活性普遍增强,感应强度为1.0×10-2T时光催化降解率达19.4%,相当于无外加磁场时的1.2倍;理论分析指出,磁场辅助对掺杂TiO2光催化活性的影响与掺杂离子的磁导率有关.     

热压烧结Ti_3AIC_2材料在空气中的恒温氧化行为

研究了热压烧结的Ti3AlC2(含有2.8%(质量分数)的TiC)在900~1300℃空气中的恒温氧化行为.结果表明,该材料具有良好的抗高温氧化性能,其氧化行为遵循抛物线规律.随着温度升高,氧化抛物线速率常数kp从900℃的1.39×10?10增大到1300℃的5.56×10?9kg2·m?4·s?1,计算得到的氧化活化能为136.45kJ/mol.在900~1100℃时,氧化产物为α-Al2O3和TiO2;当温度达到1200℃时,TiO2开始部分地转变为Al2TiO5;氧化温度升高到1300℃,Ti在氧化层中完全以Al2TiO5的形式存在.氧化过程由Al3 和Ti4 的向外扩散和O2?的向内扩散控制.Al3 和Ti4 的快速向外扩散在基体与氧化层界面处导致大量的缺陷的形成.     

森林凋落物堆积层导热性影响因素探究

森林凋落物堆积层的导热性对林地生态和森林防火有重要影响。为确定其作用程度,设计了交叉热线法实验装置测定了体系温度、湿度、凋落层结构对凋落物导热性能的影响:在温度为0℃~50℃、湿度为0%~100%的静风条件下,凋落物层的导热性能随着温度、湿度的增加而变大,随着空隙率的增大而显著减小,变化呈现线性关系;其表观导热系数在0.048~0.087 W/(m·K)范围内,并且各因素互相关联,其中空隙率的影响最大;进一步分析发现,凋落物层导热性能对体系的热量平衡过程以及自燃发火具有显著影响,可为凋落物的继续研究和森林防火管理提供新思路。     

相变材料微胶囊悬浮液在矩形小通道内流动特性实验

对相变材料微胶囊(MEPCM)-水悬浮液在矩形小通道内的层流流动摩擦阻力特性进行了实验研究. 实验中使用的MEPCM颗粒平均粒径为4.97 mm, 与蒸馏水混合制备成质量浓度为0~20%的各种悬浮液. 实验对MEPCM质量浓度对悬浮液在小通道内流动的摩擦因子以及压降的影响进行了研究. 悬浮液流动的Reynolds数范围是200~2000, 以实现小通道内层流和转捩流动. 实验发现, MEPCM质量浓度为0和5%的悬浮液的实验数据与连续性牛顿流体的充分发展流动的理论值符合的很好; 对于MEPCM质量浓度高于10%的悬浮液, 它们的流动摩擦因子以及压降明显高于牛顿流体的层流理论值.     

阿卡波糖对胰α-淀粉酶的抑制动力学研究

为探究以马铃薯淀粉为底物时阿卡波糖对胰α-淀粉酶(来自猪胰)的抑制动力学,采用3,5-二硝基水杨酸显色法及双倒数作图法(Lineweaver-Burk法),体外模拟人体生理环境,建立胰α-淀粉酶最佳反应体系。结果显示,阿卡波糖在体外对胰α-淀粉酶活性具有明显的抑制作用,且作用效果随阿卡波糖浓度升高而增强,其半抑制浓度IC_(50)=5.975×10~(-6)mol/L,即3.854×10~(-3)mg/mL。通过双倒数作图法得知,胰α-淀粉酶的Km=12.309 mmol/L,阿卡波糖对胰α-淀粉酶的抑制类型为非竞争性与竞争性抑制混合型。本研究证实了以马铃薯淀粉为底物测定阿卡波糖对胰α-淀粉酶的抑制作用更为灵敏,为其它抑制剂以马铃薯淀粉为底物时抑制胰α-淀粉酶活性的研究提供了比较依据;且证实了阿卡波糖对胰α-淀粉酶有较强的抑制作用,可为临床治疗2型糖尿病时减少阿卡波糖的副作用提供一定的参考。     

纳米TiO2/ZnO光催化降解氯胺磷的研究

采用溶胶-凝胶法制备了几种不同比例的纳米TiO2/ZnO复合半导体光催化剂及纯TiO2、ZnO单组分催化剂,并利用XRD,FE-SEM等手段对样品的结构和形貌进行表征.选用有机磷药氯胺磷为光催化降解对象,利用钼锑抗分光光度法测量并计算降解率,研究了溶液初始浓度、催化剂用量、催化剂的不同配比、热处理温度及溶液的pH值等因素对光催化降解效果的影响.实验结果表明:对于初始浓度4.5mg/L的氯胺磷溶液,催化剂用量为0.6 g·L<'-1>时,TiO2与ZnO的最佳比例为10:1,最佳热处理温度为500℃.反应进行5 h后,最大降解率可达到44.1%.在酸性及碱性介质中均有利于氯胺磷的降解,降解后溶液pH值都向中性趋近     

反向系间窜越和三重态激子湮灭共存体系的有机发光磁效应

利用具有反向系间窜越(RISC)特性的荧光材料4-(Dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidin-4-yl-vinyl)-4H-pyran(DCJTB)制备了掺杂型有机发光器件,并在20~300 K温度范围内测量了器件的磁致发光曲线(即magneto-electroluminescence,MEL).实验发现,这些MEL曲线表现出奇特的线型:先在低场部分(10 m T)小幅度地快速下降,再随着磁场的增加大幅度地缓慢下降,最终低场和高场都表现为负的MEL,这与具有系间窜越的激子型器件的MEL明显不同.另外,MEL曲线在低场和高场的下降幅度都受注入电流和工作温度的调控.通过分析三重态激子参与的自旋相关过程,认为这些负的MEL是由RISC与三重态激子湮灭(TTA)过程共同引起的,并且三重态激子的寿命是影响RISC过程的主要因素.     

基于分子间作用力的敏感效应与痕量检测生化传感器

在微纳米尺度的机电敏感结构表面进行功能分子层修饰,通过与目标靶分子特异性结合,在表面形成Gibbs自由能的变化,由此产生的纳机械表面应力可被结构上集成的机电敏感元件转换成实时电信号输出.首先对固体表面分子层自组装产生纳机械表面应力的机制进行研究,将表面上形成的单分子层(self-assembled monolayer,SAM)按作用原理在纵向(即分子层厚度方向)上分为头基、分子链和尾基三层结构分别进行了基于纳机械敏感实验的原理揭示,在此基础上发明了一种作图法来定量评估和分析自组装分子层对表面能变化的作用.为使分子作用产生纳机械敏感效应在痕量生化分子快速检测识别中得到应用,首次将纵向分子特异性作用和相邻分子间横向作用区分开来,通过不同类型分子间作用的分析和实验验证得到如下结论:横向分子作用是产生表面应力值大小和正负(张应力或压应力)的决定性因素,而分子纵向作用主要是通过对分子层自组装有序性的调节来影响表面应力产生.在对各种横向分子作用机制分析的基础上,提出并用实验验证了分子间氢键作用可产生最高灵敏度的纳机械敏感效应.此后介绍了特异性分子作用产生表面应力的敏感效应在生化痕量快速检测传感器的应用.采用微纳悬臂梁作为敏感效应的转换器,将表面应力转换为悬臂梁弯曲,利用集成在悬臂梁内的压阻器件进行电信号输出.通过在悬臂梁表面金薄膜上修饰巯基双层分子敏感基团,实现了对ppb量级有机磷毒害蒸气的快速检测.为实现敏感分子层长期稳定工作,针对TNT爆炸物分子检测提出并实现了在悬臂梁硅表面直接两次嫁接自组装硅烷基敏感基团,进而解决了传感器对ppt量级TNT检测的长期稳定性问题.通过对传感器电绝缘的有效处理,又实现了对1.5×10-11 mol/m L浓度链霉亲和素的生物溶液在线检测.     

降温过程中组织工程用真皮成纤维细胞膜水分渗透特性的实验研究

在优化组织工程化真皮的低温保存程序时, 有必要了解体外培养的真皮成纤维细胞的低温保存特性, 如细胞膜的水分渗透系数和相应的表观活化能等. 以组织工程用真皮成纤维细胞为实验材料, 通过添加少量冰核细菌诱导形成胞外冰, 应用DSC对在降温速率为5℃·min^-1的条件下细胞悬液样品在相变过程中释放的热流量进行了测量. 对所测得的热流曲线计算得出了降温过程中成纤维细胞体积随温度的变化趋势, 并以Karlsson提出的细胞水分渗透模型为理论基础, 对获得的细胞体积变化数据进行了非线性回归的最小二乘优化, 得出了细胞膜的水分渗透率: 参照温度下(0℃)细胞膜对水分的渗透系数L_pg = 5.87×10⁴ μm·min^-1·Pa^-1, 表观活化能E_LP = 308.8 kJ·mol^-1. 将上述参数代入水分渗透模 型, 对在不同的降温速率下(0.01~50℃·min^-1), 冻存过程中成纤维细胞的水分渗透情况进行了模拟, 预测水分渗透过程结束后细胞内未渗透水的数量及保存成纤维细胞时应采取的最佳降温速率.     

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L~(-1)的KCl溶液在40 V cm~(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.     

潮湿环境下非氢类金刚石薄膜的超自润滑性能研究

采用脉冲激光沉积（PLD）方法在不同衬底温度条件下制备了不含氢的类金刚石薄膜,在相对湿度为80％与5％的条件下测试了类金刚石薄膜的摩擦学特性．由于PLD方法的独特性,薄膜具“软-硬”双层结构,保证了薄膜在潮湿条件（RH=80％）下仍保持非常优异的摩擦性能,摩擦系数与磨损率最低达0．045与5．94×10^-10mm^3·N^-1·m^-1,相对于干燥条件下测试结果来看,几乎没有明显变化．原子力显微镜与白光干涉仪测试结果表明,薄膜的均方根粗糙度小于1nm,最小值为0．209nm;XPS表明薄膜sp^3最高含量达72％,并且Raman光谱结果表明室温下制备的薄膜是非晶网络结构;纳米压痕迹测试表明,薄膜最高硬度与弹性模量分别达51 GPa与350 GPa,且随衬底温度升高而降低;样品表面的水接触角均大于90°,薄膜表面疏水并具有极低的表面能．     

聚合物胶体晶模板技术制备三维有序铟锡氧化物大孔材料

以单分散性聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球自组装形成的有序胶体晶体结构为模板, 制备了铟锡氧化物(ITO)有序大孔材料. 以扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及低温N2吸附/脱附等方法对ITO大孔材料的形态及其比表面积进行了表征. 结果表明, 烧结温度在500℃时, 能够得到较为完善的三维ITO大孔材料, 空间排布高度有序, 其有序结构与模板中PMMA微球自组装方式完全相同. 孔径大小均匀(~450 nm), 较之PMMA微球有所收缩, BET比表面积为389 m² · g^-1, 孔容为0.36 cm³ · g^-1. 此外, 发现Sn掺杂率物质的量比为5%时, 在真空中退火, ITO大孔材料的导电性能最好, 电阻率为8.2×10^-3 W · cm, 初步讨论了ITO大孔材料的导电机制, 认为氧缺位是获得较好电性能的主要原因.     

水中Cr(Ⅵ)在改性生物质吸附剂表面还原转化的电子供体

为揭示生物吸附过程中Cr(Ⅵ)的还原转化机理,以改性玉米秸秆(corn stalk based anion exchanger, CS-AE)为模型吸附剂,通过XPS、13C-NMR和FT-IR等手段表征吸附Cr(Ⅵ)前后的材料表面组成和结构,并结合对吸附溶液中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、硝态氮(NO3--N)等产物分析,探讨Cr(Ⅵ)还原的电子供体及可能反应路径.通过批吸附实验证实了CS-AE吸附去除Cr(Ⅵ)过程中存在Cr(Ⅵ)还原转化现象,在实验条件下10%～35%被吸附Cr(Ⅵ)还原转化为Cr(Ⅲ),且大部分( 65%)Cr(Ⅲ)产物被固定在CS-AE表面.XPS表征中Cr 2p3/2谱图分析证明了Cr(Ⅲ)的大量存在,且N 1s、C 1s和O 1s谱图分析发现CS-AE与Cr(Ⅵ)反应后表面含氮物质特别是季铵基相对含量降低.13C-NMR和FT-IR表征也进一步地说明了吸附Cr(Ⅵ)后CS-AE表面季铵基减少,羧基结构有所增加,表明了季铵基是Cr(Ⅵ)还原转化的主要电子供体基团.吸附反应后溶液中TOC、TN和NO3--N含量随Cr(Ⅵ)初始浓度增加而增加,与Cr(Ⅲ)生成量呈正相关关系,可以确认CS-AE表面季铵基被Cr(Ⅵ)氧化,主要反应路径为季铵基经过碳-氮键氧化断裂,形成有机胺进入溶液,且部分有机胺被Cr(Ⅵ)进一步氧化为硝酸盐.     

页岩气藏数值模拟方法评价及选择

复杂的裂缝网络给页岩气藏数值模拟研究带来巨大挑战.本文利用离散裂缝模型(DFM),分别建立微尺度模型和矿场尺度模型,研究了不同基质渗透率和裂缝开度对应条件下,不同类型裂缝对页岩气总产量的贡献率.研究结果表明:在量级约为(10–8~10–4)×10–3μm2的页岩气藏基质渗透率范围内,且存在SRV改造区的条件下,页岩气产量以SRV内人工裂缝的贡献为主,SRV内以及SRV外天然裂缝的贡献量相对较小.因此,综合考虑计算复杂度和计算精度,可通过构建基质-天然裂缝表观渗透率和连续介质模型的方法表征天然裂缝,采用离散介质模型中计算网格少、效率高的离散裂缝网络(DFN)模型表征人工裂缝.