微機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間:2018-06-22 來(lái)源: 人生感悟 點(diǎn)擊:
摘 要:作為納米科技的一個(gè)分支,微機(jī)械和分子器件的研究工作受到普遍關(guān)注。如何針對(duì)納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)器件建立科學(xué)適用的力學(xué)模型,成為解決納米尺度動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的瓶頸。微機(jī)械是極其重要的一類NEMS器件,分為天然的與人工的兩類。人工分子機(jī)械是通過(guò)對(duì)原子的人為操縱,合成、制造出具有能量轉(zhuǎn)化機(jī)制或運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)制的納米級(jí)生物機(jī)械裝置。
關(guān)鍵詞:微型;機(jī)械;動(dòng)力學(xué);進(jìn)展;
目前已經(jīng)成功研制出多種微機(jī)械,如分子馬達(dá)、分子齒輪、分子軸承等。但在實(shí)現(xiàn)微機(jī)械工程化與規(guī);倪^(guò)程中,由于受理論研究水平的制約,微機(jī)械的研究工作受到進(jìn)一步的制約。
一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
。ㄒ唬┝W(xué)模型
通過(guò)引入鍵長(zhǎng)伸縮能、鍵角彎曲能、鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能以及非鍵作用能等,形成機(jī)械的勢(shì)能面,使系統(tǒng)總勢(shì)能最小的構(gòu)象即為分子機(jī)械的穩(wěn)定構(gòu)象。采用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)等方法,對(duì)分子機(jī)械的動(dòng)態(tài)構(gòu)象與運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。從理論上講,該模型可以獲得分子機(jī)械每個(gè)時(shí)刻精確的動(dòng)力學(xué)性能,但計(jì)算工作量十分龐大,特別是當(dāng)原子數(shù)目較大時(shí),其計(jì)算工作量是無(wú)法承受的。第二類模型為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型。該模型將分子機(jī)械視為桁架結(jié)構(gòu),原子為桁架的節(jié)點(diǎn),化學(xué)鍵為連接節(jié)點(diǎn)的桿件,然后采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的有限元方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。該模型雖然克服了第一類模型計(jì)算量龐大的缺陷,但無(wú)法描述各原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),故沒(méi)有考慮分子機(jī)械的光、電驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和量子力學(xué)特性,所以利用此模型難以對(duì)分子機(jī)械實(shí)施運(yùn)動(dòng)控制研究。
近年來(lái),有學(xué)者提出將量子力學(xué)中的波函數(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)中的能量函數(shù)以及機(jī)構(gòu)學(xué)中的運(yùn)動(dòng)副等理論結(jié)合,建立分子機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析的體鉸群模型。在該模型中,將分子機(jī)械中的驅(qū)動(dòng)光子、電子、離子等直接作用的原子以及直接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的原子稱為體,聯(lián)接體的力場(chǎng)稱為鉸,具有確切構(gòu)象的體鉸組合稱為群。
。ǘ┭芯楷F(xiàn)狀
1960年,美國(guó)科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者RichardFEYNMA首次預(yù)言了利用生物化學(xué)方法合成分子機(jī)械并組裝分子工程系統(tǒng)的可能性。在此預(yù)言的感召下,許多科學(xué)家都致力于分子機(jī)械與分子器件的研制工作。特別是1980年以后,由于掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope,STM)、原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)的出現(xiàn),以及測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步,為單個(gè)原子的移動(dòng)以及原子運(yùn)動(dòng)位移和作用力的測(cè)試等提供了有力的工具,使分子機(jī)械得以迅猛發(fā)展。特別是1991年日本科學(xué)家SumioIIJIMA發(fā)明了碳納米管之后,基于碳納米管的分子器件不斷出現(xiàn)。作為分子機(jī)械發(fā)展的里程碑,1992年美國(guó)麻省理工學(xué)院KEDREXLER在他出版的《Nanosys-tems:MolecularMachinery,Manufacturing,andCom-putation》一書中,最先給出了分子機(jī)械嚴(yán)謹(jǐn)而科學(xué)的定義,并對(duì)分子機(jī)械的制造方法、分析技術(shù)和工程應(yīng)用等進(jìn)行了全面介紹,標(biāo)志著新型交插學(xué)科———分子機(jī)械學(xué)的成立,并對(duì)典型分子器件構(gòu)象進(jìn)行了構(gòu)思。
2001年,美國(guó)紐約大學(xué)的HaoYAN等在《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究成果,用DNA分子成功合成了四沖程發(fā)動(dòng)機(jī),并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)控制研究。這項(xiàng)研究成果使DNA結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在獨(dú)立單元操作上獲得重大進(jìn)展,對(duì)進(jìn)一步建立精密分子機(jī)器的分析模型具有很大的幫助。在此工作基礎(chǔ)上,加州大學(xué)科學(xué)家又對(duì)一種天然的分子機(jī)械進(jìn)行人工重新設(shè)計(jì),制造出了世界上最小的帶開關(guān)的馬達(dá),該分子馬達(dá)由78個(gè)原子構(gòu)成,尺寸只有14nm,這種分子馬達(dá)可用在電子電路中,也可用于精密的細(xì)胞手術(shù),這項(xiàng)成果使得科學(xué)家朝制造可控的單分子機(jī)械裝置方面邁進(jìn)了一大步。分子馬達(dá)的研制成功使納米技術(shù)研究提高到一個(gè)新水平。荷蘭和日本的科學(xué)家也研制成功了另一種由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的分子馬達(dá),在光照作用下,能夠連續(xù)不斷旋轉(zhuǎn)。分子馬達(dá)不但能夠?yàn)槲磥?lái)的分子機(jī)械提供動(dòng)力,而且還可以幫助人們更深入地了解一些具有相似結(jié)構(gòu)的生命有機(jī)體,例如肌肉纖維及推動(dòng)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的鞭毛。
近年來(lái),為了進(jìn)一步掌握分子機(jī)械的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,基于分子機(jī)械的非線性力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)控制引起了科學(xué)家的極大關(guān)注。2000年德國(guó)學(xué)者AERBE等研究了納米振蕩器中的非線性特性,并利用了其振動(dòng)特性,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械混頻。
二、分子動(dòng)力學(xué)在納米機(jī)械加工技術(shù)總的進(jìn)展
美國(guó)與日本學(xué)者在常溫下運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)單晶體進(jìn)行垂直切削,使用的是金剛石車刀。在模擬過(guò)程中,建立的是二維原子模型或是三維原子模型,模型中大約包含了5000-8000個(gè)原子。模擬是金剛石車刀的刀刃的圓弧半徑是1-5毫米,切削速度在每秒2米或是每秒200米,從而得到在切削過(guò)程中,刀具分子與材料分子在位置與運(yùn)動(dòng)速度上的變化,從而更好地研究切削現(xiàn)象。
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通過(guò)勢(shì)能函數(shù)中參數(shù)的改變,分子動(dòng)力學(xué)能夠通過(guò)模擬研究切削力的改變對(duì)切削效果的作用。研究表明,材料與刀具分子之間的結(jié)合力下降或是斥力的增加都能夠讓表面的粗糙程度加劇。
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分子動(dòng)力學(xué)要想模擬得更加精確,就需要充分考慮到切削時(shí)產(chǎn)生的溫度影響。在仿真模擬實(shí)驗(yàn)中,分子的勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)變不是由人工來(lái)進(jìn)行控制的,而是在達(dá)到已訂購(gòu)條件后,分子自行轉(zhuǎn)變的。金屬的導(dǎo)熱率是由電子的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度決定的,所以切削溫度在切削中的影響研究可以通過(guò)對(duì)速度標(biāo)度的方式來(lái)模擬。研究表明,若是提高切削溫度,能夠有效減少切屑的產(chǎn)生,增加材料分子的測(cè)流,讓材料表面的粗糙度提升。
參考文獻(xiàn)
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