弹道扩散导热的热质模型

经典的傅里叶导热定律只适用于扩散导热.在瞬态导热过程中,为了描述热量的波动输运,基于热质理论建立了普适导热定律.对于微纳尺度的器件,由于弹道输运的作用,傅里叶导热定律也将失效.然而现有普适导热定律尚不能描述由弹道输运引起的非傅里叶导热现象.本文通过边界条件修正的方法将普适导热定律扩展到了弹道扩散导热区域.首先用热质理论的观点分析了弹道扩散导热机理;然后从声子玻尔兹曼方程出发推导了修正边界条件模型;最后数值求解了修正的普适导热定律并与蒙特卡罗模拟进行对比,验证了本文模型的正确性.     

石墨烯热致发声器件的新进展

<正>热致发声器是一种基于焦耳热直接转换为声波的能量转换器,其工作原理是对介质(如空气,水等)中的导体施加交变电流,产生周期性变化的焦耳热脉冲,使周围介质发生周期性膨胀,从而产生声波,即热致发声.热致发声器具有频响范围宽、无需振动元件的显著特点,在模拟发声、三维成像等领域具有潜在的应用.因此,近年来受到人们的广泛关注.南京航空航天大学纳米科学研究所郭万林教授团队以三维泡沫状石墨烯材料构建热声元件,发现其能显著抑制基底热散失,产生高的声压,提高发声效     

热子气-气体和金属中热量传递的载体

热子气可以认为是热传导的主要载体, 是热量传递的载体. 类似于介电体中晶格振动能量量子化定义的声子, 大量的声子组成了声子气. 在气体和金属中则可以根据无规则运动的分子和电子所具有的能量定义热子, 大量无规则运动的热子就组成了热子气. 热子和声子、光子一样都没有静止质量, 但是热子的动质量可以连续变化, 即热子是非量子化的准粒子. 热子气在一定温度梯度驱动下的定向运动就形成了热流. 根据Einstein质能关系可以得到热子的质量为m_h=E/c², 即热能除以光速的平方. 热子气是具有真实质量的可压缩流体, 根据气体动力学原理, 并结合理想气体和金属中电子气的统计规律分别得到了两种体系中热子气的状态方程, 通过流体力学分析方法进一步推导出热子气的动量守恒方程, 它是具有阻尼的波动方程, 也就是普适导热定律. 基于热子气概念得到的普适导热定律可以用于定量研究由于热惯性作用而导致的极端条件下的非Fourier导热现象, 例如在超快速激光加热实验中出现的热波现象. 在通常情况下当热质惯性力作用可以忽略时普适导热定律将退化为Fourier定律. 利用两阶精度的有限差分格式, 计算了超快速飞秒激光加热金属薄膜条件下普适导热定律的热波解, 结果显示热波传递的波动性会随着热子气运动惯性作用的增强而增强.     

基于晶格缺陷的谷极化三维弹性声子晶体的拓扑界面传播特性

晶格缺陷(包括旋错和位错等)广泛存在于各种材料,并呈现出优异的物理和力学性能.在经典波动体系,晶格缺陷态首先应用于二维光学系统,实现了晶格缺陷激发的谷极化界面态和束缚态.本文设计了一种三维弹性声子晶体,其单胞在第一布里渊区的K-H方向线性简并.打破单胞的镜像对称性,该三维弹性声子晶体沿第一布里渊区K-H方向的简并线打开而形成完全带隙,激发出谷极化量子霍尔效应.将晶格缺陷态引入具有谷极化量子霍尔效应的三维弹性声子晶体,晶格畸变导致单胞谷极化拓扑相反转而形成界面,实现了弹性波在三维弹性声子晶体的稳健界面传播.基于晶格缺陷的谷极化三维弹性声子晶体拓扑界面态的实现,突破了传统经典波动系统拓扑波导设计的局限性,为三维复杂拓扑波导器件设计提供了良好的技术支撑.     

自旋波声子耦合对反铁磁体红外吸收谱的影响

在磁有序物质中,由于交换作用常数受离子间距离变化的影响,其中存在自旋波和声子耦合。大多数非金属反铁磁体是离子晶体,因此,对这类反铁磁体,辐射场在激发一个光频支声子的同时通过自旋波和声子耦合有可能再激发两个自旋波和一个声子,从而茌晶格红外吸收带的高频边缘外形成附加吸收峯。本文利用这种辐射跃迁过程解释了Nio红外光谱的0.24电子伏附加吸收     

由二次Doppler效应确定非晶合金的Debye温度

一、引言 固体中原子间相互作用使原子围绕平衡位置振动并形成各种模式的波,Debye从连续介质中的弹性波考虑分析了晶格振动的能量,从而得到了固体比热的公式。Debye理论中的特征温度——Debye温度θ_D是标志固体中原子间结合强弱的物理量,对研究晶格动力学是有意义的。一般可以从两个方法求θ_D:1)测定固体比热随温度变化的规律,按Debye比热     

声振动对秀丽隐杆线虫转向行为的影响

秀丽隐杆线虫是一种典型的模式生物,且其神经系统对光、电、热梯度以及化学药物等有反应.本文报道了声振动对线虫转向行为影响的研究.建立了一套实时的声波作用线虫的电脑成像系统,实现拍摄并统计分析指定区域内多条线虫的行为;基于粒子追踪与形状分析算法,量化线虫行为;利用OFV-5000模块化激光测振系统测量培养基在声波作用下的振动;通过改变声波的位移振幅及频率等参数探讨声振动对线虫转向行为的影响.定义声感系数来衡量线虫转向行为受声振动影响的大小.实验结果表明:秀丽隐杆线虫可以感受到声振动,并且对声振动具有一定的适应性;相对于野生型线虫N2,机械力感觉神经元存在缺陷的突变体线虫mec-4,mec-7对声振动的响应减弱,表明机械力感觉神经元参与了对声波的感应;对于同一频率的声波,位移振幅的增加刺激了线虫的转向行为;但在固定位移振幅下,随着频率的升高,线虫的转向行为呈现先增强后减弱的趋势.本文的工作为进一步探究声波对线虫神经系统的作用并用于治疗神经系统疾病奠定了理论及实验基础.     

在蛋白质分子中激发的孤立子的热力学特性

在生命体中关于ATP水解作用所释放的能量的传递问题一直是人们十分关注、但又未解决的重大问题.70年代Davydov提出了一个孤立子模型,认为所释放的这个能量引起了蛋白质分子的局域性涨落和结构畸变,导致氨基酸残基中的内部激发(激子)和分子链的振动的相互作用而“自陷”成一个孤立子,保持自己的能量、动量和其它准粒子特性不变地沿蛋白质分子运动过一段宏观距离.至此以后,许多人广泛深入地研究了这个问题.但近几年研究发现,     

声子极化激元的电子能量损失谱研究进展

声子极化激元是晶体中的光学支声子与电磁波耦合形成的元激发,具有独特的中远红外介电响应、低损耗等特性,在波导、超透镜、增强的能量感应与传输等方面展现了巨大的应用潜力,因此近年来发展迅速.声子极化激元的主要实验研究手段是扫描近场光学显微镜技术,但由于缺乏合适的光源,目前在远红外波段的研究严重受限.此外,光子与声子之间大的动量失配问题也限制了光学显微镜激发大动量的声子极化激元.本文介绍了近年来扫描透射电子显微镜电子能量损失谱技术在研究声子极化激元方面的主要进展.相比于近场光学方法,电子能量损失谱具有大动量转移、宽频激发与探测、高空间分辨能力、高激发探测效率、多模式激发等优点,并且能在自支撑样品上测量,避免衬底影响.因此,基于此,研究人员取得了一系列重要研究成果,该方法已成为近场光学方法很好的补充.本文简要总结以上研究进展,并对下一步的研究前景进行了展望.     

超声管形聚焦式声化学反应器

提出一种新型声化学反应器, 该反应器通过纵振电声换能器激励特定长度的圆管, 使其能有效地将纵向振动转化为径向振动从而向管内辐射超声波, 并在管内聚焦形成高强声场. 管形聚焦式声化学反应器结构简单, 容器壁均可辐射声波, 故电声转换效率高, 其产生的聚焦声场为声化学反应提供了良好的条件. 反应器的长度最大可达2 m, 处理液可连续式通过, 在声化学等液体处理领域有很好的应用前景.     

梯度折射率超材料透镜

超材料是由人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构,有负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射率等特性.声子晶体超材料是一种具有周期性结构的超材料,其布拉格带隙或局域共振带隙的存在使处于禁带频率下的声波或弹性波进入声子晶体后无法在其中传播.其能带特性可以通过设计进行调节,使通带频率下的声波或弹性波进入具有特定结构的声子晶体后,实现成像、聚焦以及定向传输等对波传播的极端控制功能.梯度折射率超材料是一种折射率随空间变化而变化的结构.梯度折射率透镜由局部非均匀结构组成,其折射率是空间坐标的函数.波在透镜中会沿着弯曲的轨迹传播,可以通过适当的设计实现对波的弯曲、偏转和聚焦等功能.梯度折射率的设计可以通过改变局部晶体单元的性质实现有效折射率的梯度分布,如改变声子晶体的晶格尺寸、散射体的填充率、散射体的材料等.此外,梯度折射率超材料透镜能够通过设计在宽频率范围内精准聚焦波,从而实现能量采集等工程应用.本文从光学理论原理、透镜设计及其应用三方面展开介绍,首先对理论基础以及目前构建梯度折射率器件的几种方法进行总结,然后从透镜的应用角度介绍几种典型案例,最后对透镜的未来研究作出展望.     

凝聚相分子振动量子拍的20fs时间分辨光谱实时观测

冲击相干振动光谱是以脉冲宽度比分子振动周期短的飞秒激光作为激发光源的一种光谱学实验方法,通常是以泵浦-探测实验装置为基础,可以实时观测与电子基态或激发态相耦合的分子振动动力学过程.中国科学院物理研究所以小于20fs,550～700nm光谱范围内可调谐的非共线光参量放大器为光源,建立了一套冲击相干振动光谱学实验装置,并以染料分子Oxazine720的甲醇溶液为样品进行了实验测试.实验中样品被泵浦光脉冲激发后在电子基态形成振动波包,并观测到振动波包在电子势能曲面上运动所形成的振动量子拍信号.经分析有两个分子振动模式被激发,其振动频率分别为592与678cm-1,所对应的振动周期分别为56.3与49.2fs.     

应变扭转双层石墨烯

扭转双层石墨烯是由两层石墨烯进行简单旋转再堆叠形成的二维莫尔超晶格材料,具有一系列超晶格依赖的奇特物理性质,如超导态、磁性态、局域态等,是近年来凝聚态物理和材料等研究领域最令人振奋的进展之一.然而,石墨烯莫尔超晶格材料与器件的研究依然面临着诸多挑战,其中最大的困扰在于扭转角和应变的无序性,严重影响了材料和器件的目标性能.围绕扭转双层石墨烯中的应变,本文总结了近年来相关理论和实验研究的进展,重点介绍了内在应变的起源和存在形式、莫尔超晶格结构的公度-非公度相转变、层间结构弛豫以及外加应变对材料性能的影响和调控.本文进一步讨论了该领域现存的问题,展望了未来的发展趋势,旨在促进应变扭转双层石墨烯的基础研究与实际应用.     

突破液氢温度的热驱动热声制冷机

提出了一种“二介质耦合声学放大器”作为热声发动机与低温脉冲管制冷机的新型耦合机构, 使其继续保持压力幅值放大的功能, 且能够在热声发动机和脉冲管制冷机之间安装弹性膜. 利用此新型耦合机构, 可以使热声发动机以氮气为工作介质获得较低的工作频率, 而脉冲管制冷机则可采用氦气为工作介质使其优良的低温制冷性能得到保证. 采用聚能型行波热声发动机驱动, 最终使一台两级脉冲管制冷机获得了18.7 K的无负荷温度, 使热驱动的热声制冷机突破了液氢温度.     

基于PT对称的声波超前/延迟线

低损耗、长带宽、时间可控的声波延迟线在音频、射频、声表面波信号处理等领域具有非常广泛的应用,然而设计满足上述三点特性的声延迟线是一项极具挑战性的工作.近年来,量子力学中的宇称时间(parity-time, PT)对称概念被引入到声学系统中,其散射矩阵在特殊点处的实数本征值揭示了声波在此类系统中可实现宽带的无损传输,且传输相位可调.本文设计了一种由一对PT对称的导纳超表面及夹在中间的等效声学介质组成的声学系统,通过设置导纳超表面参数调节其工作机制,从而实现了两类互补的特殊点.其中防反射层模式下的特殊点导致了一种声波延迟线的形成,而相干完美吸收-激“声”模式下的特殊点则用于设计一种罕见的声波超前线.由于此声学损耗-增益超表面在自然界中是不存在的,本文利用可主动控制的电热声碳纳米管薄膜来模拟它.仿真结果表明,PT对称系统是实现低损耗、长带宽且时间可控的声波超前/延迟线的优良载体,其应用可扩展至包括光学、力学、弹性波等诸多波动领域.     

重力波对中层顶区O_3及OH分布的影响

利用考虑了光化-动力耦合的重力波模式就重力波对大气化学成分分布的影响进行了计算, 着重研究了重力波通过非线性化学反应对大气化学成分分布的影响这一新的机制, 以O3和OH为例进行了计算. 研究表明, 重力波在传播过程中主要通过非线性化学反应引起中层顶区大气化学成分分布的变化, 其贡献可以超过湍流扩散和重力波引起的非线性输运.     

石墨烯的生物安全性研究进展

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料.随着石墨烯在实际中的大规模生产和广泛应用,其生物安全性问题也备受关注.大量报道认为石墨烯是一种生物相容性良好的碳纳米材料,部分研究却发现石墨烯具有一定的生物毒性.石墨烯的生物毒性主要依赖于其理化性质(大小、形状、表面电荷、官能团等),与其使用剂量也密切相关.近年来,研究发现石墨烯纳米材料作用于不同生物体会表现出完全迥异的生物毒性.基于此,本文综述了近年来关于石墨烯在细胞毒性、动物毒性和抗菌性方面的研究进展,以期为石墨烯生物安全性评估和生物医学应用提供参考.     

300 Hz高频热声驱动脉冲管制冷机

介绍了300Hz驻波热声发动机驱动脉冲管制冷机的最新进展.在前期经验的基础之上,针对驻波发动机、脉冲管制冷机以及它们之间的耦合机制进行了优化.在平均压力和加热功率分别为4.13MPa和1760W时,脉冲管制冷机的入口压比达到了1.248,并获得了69.5K的无负荷最低制冷温度,这是该频率范围的热声驱动脉冲管制冷机首次获得70K以下的低温.     

声学超材料的非互易性研究进展

声学超材料的非互易性在声学整流、声拓扑和隔声降噪等领域具有重大的应用前景,引起了广泛的关注和研究.然而,互易性是线性系统中波动方程的基本性质,它源于系统的时间反演对称性.要打破系统的互易性,实现声波的非互易性是极其困难的.本文总结了声波非互易性的研究成果,主要从基于非线性介质、动态分量、磁弹性相互作用等实现声波非互易性的3种方法出发,给出了相应的原理、发展历程以及存在的问题.最后,指明了声波非互易性在未来研究的重要方向,以期为相关研究提供有效参考.     

用于热声驱动脉冲管制冷机的新耦合机制: 声学放大器

提出了声学放大器的概念, 有意识地用一根长管来连接热声发动机与脉冲管制冷机. 理论计算表明, 合适的管长及管径可以大幅度地放大来自热声发动机的压力波动, 脉冲管制冷机从而可以获得更大的驱动压比. 在理论分析的基础上, 初步的研究也证实了压力波动的放大效果. 在平均压力2.46 MPa, 工作频率69 Hz时, 一根内径8 mm, 长2.8 m的紫铜管把来自热声发动机的压力波动幅值平均放大为2.5倍以上. 特别地, 使用1.67 kW的加热功率, 发动机的压比为1.11, 脉冲管制冷机入口的压比到达了1.32, 进而在脉冲管制冷机的冷头获得了65.7 K的温度.