纳米力学

更新时间:2022-09-20 10:29

纳米力学(Nanomechanics)是研究纳米范围物理系统的基本力学(弹性,热和动力过程)的一个分支。纳米力学为纳米技术提供科学基础。作为基础科学,纳米力学以经验原理(基本观察)为基础,包括:一般力学原理和物体变小而出现的一些特别原理。

基本信息

纳米力学(Nanomechanics)是研究纳米范围物理系统基本力学性质(弹性,热和动力过程)的纳米科学的一个分支。纳米力学为纳米技术提供了科学基础。纳米力学是经典力学,固态物理,统计力学,材料科学和量子化学等的交叉学科。

常把纳米力学当纳米技术的一个分支,即集中在工程纳米结构和纳米系统力学性质的应用面。纳米系统的例子,包括纳米颗粒,纳米粉,纳米线,纳米棍,纳米带,纳米管,包括碳纳米管和硼氮纳米管,单壳,纳米膜,纳米包附,纳米复合物/纳米结构材料(有纳米颗粒分散在内的液体),纳米摩托等。

纳米力学一些已确立的领域是:纳米材料,纳米摩檫学(纳米范畴的摩檫,摩损和接触力学),纳米机电系统,和纳米应用流体学(Nanofluidics)

原理

作为基础科学,纳米力学是以经验原理(基本观察)为基础。包括:1.一般力学原理;2.由于研究或探索的物体变小而出现的一些特别原理。

一般力学原理包括:

。能量和动量守恒原理

。哈密顿变分原理

。对称原理

由于研究的物体小,纳米力学也要考虑:

。当物体尺寸和原子距离可比时,物体的离散性

。物体内自由度的多样性和有限性。

。热胀落的重要性

。熵效应的重要性

量子效应的重要性

这些原理可提供对纳米物体新异性质深入了解。新异性质是指这种性质在类似的宏观物体没有或者很不相同。特别是,当物体变小,会出现各种表面效应,它由纳米结构较高的表面与体积比所决定。这些效应影晌纳米结构的机械能和热学性质(熔点,热容等)例如,由于离散性,固体内机械波要分散,在小区域内,弹性力学的解有特别的行为。自由度大引起热胀落是纳米颗粒通过潜在势垒产生热隧道及液体和固体交错扩散的理由。小和热涨落提供了纳米颗粒布朗运动的基本理由。在纳米范围增加了热涨落重要性和结构熵,使纳米结构产生超弹性,熵弹性熵力)和其它新弹性。开放纳米系统的自组织和合作行为中,结构熵也令人产生很大兴趣。

量子效应决定物理系统内个别原子间的相互作用力。在纳米力学中用一些原子间势能的平均数学模型引入量子效应。

在经典多体动力学内加入原子间势能提供了纳米结构和原子尺寸决定性的力学模型。数据方法求解这些模型称为分子动力学(MD),有时称为分子力学。非决定性数字近似包括蒙特卡罗,动力蒙卡罗和其它方法。现代的数字工具也包括交叉通用近似,允许同时和连续利用原子尺寸的模型。发展这些复杂的模型是另一应用力学的研究课题。

量子效应也决定纳米结构新的电,光和化学性质。因此量子效应在邻近的纳米科学,纳米技术,如纳米电子学,先进能源系统和纳米生物技术学科范围得到更多注意。

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