力電耦合作用下含液碳納米管的可控力學行為研究

《力電耦合作用下含液碳納米管的可控力學行為研究》是依託大連理工大學,由葉宏飛擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：力電耦合作用下含液碳納米管的可控力學行為研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：葉宏飛

項目摘要

研究和發展具備可控力學性能的納米元器件對於在納米尺度下實現精確的控制性操作具有重要的科學意義和套用價值。本項目擬基於分子動力學模擬方法，結合經典連續介質相關理論，開展兩端由富勒烯半球封閉的含水和含離子溶液的碳納米管在力電耦合場中的可控力學行為研究。通過數值模擬和理論分析，認識水分子和離子在外部電場和限制環境雙重作用下的狀態、構型和動力學行為的變化情況，揭示含水碳納米管的彈性模量、臨界屈曲應力等力學性質隨著外部電場強度和方向的變化規律，闡明含離子溶液碳納米管的拉伸、彎曲等變形行為與外部電場強度和方向之間的變化關係，建立能夠描述由電場強度和方向控制的含液碳納米管可變力學行為的力電耦合理論模型。項目的研究結果將為納米尺度控制性元器件的設計和製造提供有參考價值的理論依據和指導。

結題摘要

一直以來，碳納米管都被認為是納微機電系統中結構組件或功能性器件的理想材料之一。近年來，含水碳納米管已經能夠通過多種實驗方法製備出來。此外，離子也被證實可以進入碳納米管從而使得含離子溶液碳納米管的製備成為了可能。針對含液碳納米管這一新興的納米尺度材料，開展力學性質及變形行為的研究可以為碳納米管的實際套用提供新的設計思路和理論指導。為此，本項目基於數值模擬和理論分析方法，構建了含液碳納米管的分子動力學計算模型，建立了含液碳納米管可控變形行為的理論模型，結果表明水的填充和電場的施加對碳納米管彈性性質（彈性模量和泊松比）的影響較小，而屈曲性能（臨界屈曲應力和平均後屈曲應力）卻會隨著填充密度和電場強度的變化而變化且呈現出了非線性的尺度依賴性；對於扭轉性能，水的填充對碳納米管剪下模量的影響較小，但其臨界屈曲角卻有了明顯的提高，而致使碳納米管發生破壞斷裂的臨界角有所降低；對於含有初始預應變的含水碳納米管，電場的施加可以改變其高度，並且這種高度的變化具備了快速回響和可逆的特性；單個和兩個電場可以引導含離子溶液碳納米管分別發生拉伸和彎曲變形，其幅值可由電場強度來調控，基於此變形特性設計了可控制混合氣體流速甚至分離的分子篩模型。此外，本項目拓展研究了由納米顆粒誘導的碳納米管、細胞膜的平衡構型，揭示了構型與納米顆粒形狀、剛度等屬性之間的控制關係。圍繞上述研究內容，在國內外重要學術期刊發表論文21篇，其中SCI檢索18篇，包括Scientific Reports、Nanotechnology等國際知名期刊論文（第一作者）、JCR 1區期刊封面論文（第一作者）；參加國際、國內學術會議5次，包括世界計算力學大會、中國力學大會等重要學術會議；指導碩士研究生3名。研究成果為納米尺度控制性器件的設計提供了可行的方案，同時為現代科技產品微型化和集成化的設計與發展提供了有參考價值的理論依據和指導。