纳米尺度下纳米颗粒之间相互作用的理论研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:romme
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在人类探索微观世界的进程中,对微观目标物实现操作和控制的需求同宏观尺度一样无处不在。随着人们对众多工业产品小型化、集成化的不断需求,微操作技术日益凸现其重要性,在微电子工程、精密制造、生物工程等诸多领域均具有广阔应用前景。   粘附现象是微操作中特有的现象,由于尺度效应作用,在微米尺度下各种表面粘着力的作用开始占据主导地位。由于纳米尺度下微颗粒的表面积与体积之比相对提高,表面效应和尺寸效应使得纳米尺度下的物体表现出许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异特性,如表面效应、界面效应等,因此宏观理论不一定能适用于纳米尺度。目前,已知的粘附力主要由毛细力、静电力、范德华力、化学键力等组成。因此,要想深入理解进而合理利用纳米尺度下的物理特性,研究相关的基础理论是很必要的。   本文针对上述问题,考虑到在微尺度下,粘附力中的毛细力占据主要作用,提出了毛细力控制的微操作方法。利用毛细冷凝现象所产生的液桥来实现对纳米颗粒的拾取操作,建立了纳米颗粒拾取模型。   针对微操作中的毛细液桥现象,从尺度效应着手,在纳米颗粒和基底之间毛细作用力的基础上,建立了液桥断裂模型,得到了液桥的断裂高度与体积的关系。我们所得到的毛细力的计算结果与以前研究者的实验结果比较符合,证明了模型的有效性。模拟结果表明液桥的断裂高度随着颗粒的疏水性、颗粒的半径、环境的湿度增加而增大。液桥的断裂高度与体积成指数关系,当颗粒半径大于600纳米之后,指数的数值约为1/3,与宏观的理论一致,即宏观理论可以适用与半径为600纳米以上的颗粒。但是当颗粒的半径较小时,指数值会随着半径的增大而增大。   针对纳米尺度下热扰动作用显著的特点,我们建立了针尖-纳米颗粒-基底模型,研究纳米尺度下热扰动对纳米颗粒之间相互作用的影响。同时分析了热扰动对纳米颗粒拾取概率的影响。分析结果表明,在不同的表面特性情况下,热扰动对颗粒间的相互作用起到增强或者减弱的反作用。热扰动改变了纳米颗粒原有的状态并且对拾取的结果影响很大,使得拾取概率的变化最大达到55%。   最后,为了分析纳米尺度下纵向拾取纳米颗粒过程中的空气阻力的影响,利用针尖-颗粒-基底模型,我们模拟了空气阻力对于拾取操作的影响。模拟结果表明摩擦力对纳米颗粒的速度影响不大。随着针尖速度的增加,存在一个临界速度,超过这个速度值,纳米颗粒不能从基底上拾取起来。对比有无摩擦力两种情况,我们发现考虑摩擦力的情况下临界速度值会变小。这部分的工作对前面的工作是一个很好的补充。
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