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Title: 纳微系统中表面效应的物理力学研究(3)
Author: 王柏懿
Issued Date: 2015-12-21
Abstract: 正如前文所述,与“宏观”机械系统有所不同,纳微系统具有小尺度的特点,导致它们拥有很大的“比表面积”,表面界面效应在纳微系统中起着重要的作用。而传统的宏观连续介质力学对这类问题研究不足,因此严重地制约着纳微系统产业的发展。赵亚溥研究团队紧密结合国家在纳微系统领域的重大需求和力学学科国际学术前沿,选择下述纳微制造产业界广泛关注的共性问题开展了有成效研究工作:电弹性毛细动力学,分子间力所引起的吸合、黏附,表面应力的起源及其在相关器件中的应用等。通过十余年的努力与积累,他们取得了若干具有原创性的成果,对于纳微系统的相关力学设计提供了重要参考,引领和推动了纳微系统表面力学行为及相关领域的研究和发展。
他们的研究属于交叉学科领域,相关成果发表在国际物理和化学类最高学术刊物《物理评论快报(PRL)》(封面论文)、《美国化学会志 (JACS)》、国际MEMS领域顶级期刊以及力学重要期刊上。赵亚溥研究员曾多次在国际相关领域学术会议上做大会特邀报告。中国科学院/工程院、美国科学院/工程院、英国皇家学会、俄罗斯科学院、荷兰皇家科学院等十余位院士曾数十次大篇幅地引用或进一步发展该研究团队的相关工作。作为上述成果的结晶,赵亚溥研究员已经出版了《表面与界面物理力学》和《纳米与介观力学》等两部学术专著,最近又获得了2014年度国家自然科学二等奖。
本文将从四个方面对他们的研究成果做简要的说明,这里介绍第三、四部分,即:“表面应力起源的一类新机制”与“半连续晶格模型”的提出。
表面应力起源的一类新机制与半连续晶格模型
 
首先,我们来谈谈表面应力起源一类新机制的问题。
由于在重大传染性疾病的检测和预防、反恐、食品安全和环境监测等领域的国家需求,超灵敏的微纳生物医学传感器的研发越来越受到学术界、工程界以及社会公众的关注与重视。目前较为广泛应用的几种传感机理都涉及到生化分子与固体表面的相互作用,这种相互作用过程十分复杂,属于典型的“力-电-化”等多场耦合和“跨尺度”问题。
    在纳微测量中,原子力显微镜(AFM)是进行单分子操控研究的重要工具。在研究中,人们发现微悬臂梁(MCL)对力的变化非常敏感,它在微弱力的作用下便可以发生力学响应,于是人们逐渐把用于AFM的MCL推广应用到更多的领域,去构建各种功能器件。例如,如果在微悬臂梁(MCL)表面涂上敏感层,它与待测的化学物质或生物分子接触后,微悬臂梁表面敏感层便会发生物理、化学黏附或者化学反应,这样微悬臂梁表面会产生质量的变化、表面应力的变化,这些变化可使微悬臂梁的挠度或谐振频率发生改变,挠度和频率都是可以方便检测的物理量。所以近年来,越来越多的科学家采用微悬臂梁作为传感器元件,基于微悬臂梁开发出各种新型传感器。
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Content Type: 科普文章
URI: http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/58706
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王柏懿. 纳微系统中表面效应的物理力学研究(3). 2015.
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