几类典型微纳米结构的动态性能研究

发布时间：2020-04-17 14:30

【摘要】：随着人们对自然的深入认识以及科学技术的持续发展,人类认知世界的角度逐渐从宏观层面转向微观层面。微纳米材料和结构表现出的优异性能得到了力学工作者的广泛关注。近年来微纳米制造技术的发展,不同外场作用下微纳米材料和结构力学响应的研究变得更为紧迫。本论文以自然界中最为典型和重要的微米结构—细胞膜,以及人工制造的最为典型的纳米材料—碳纳米管和石墨烯为研究对象,讨论了细胞膜的形状及其稳定性,以及粘弹性石墨烯及碳纳米管的波动特性。全文的主要研究内容如下:1.基于液晶力电耦合模型建立了交流电场作用下膜泡的形状方程,讨论了频率、渗透压和表面张力对膜泡形态演化的影响,澄清了膜泡的形态与频率、渗透压以及表面张力之间的关系;同时,分析了双凹形膜泡的电场奇异性,揭示了双凹形膜泡电场奇异性的交流电场频率相关性。此外,还研究了直流电场作用下含有蛋白质交联结构细胞膜的形态稳定性,通过推导自由能的二阶变分得到了细胞膜的临界电场强度,讨论了细胞半径、膜内外介电常数差、渗透压和蛋白质交联结构的刚度对细胞膜临界电场强度的影响,澄清了细胞膜的形态稳定性条件与细胞半径、膜内外介电常数差、蛋白质交联结构的刚度和渗透压之间的关系。2.基于非局部应变梯度Timoshenko梁模型研究了粘弹性单层和双层碳纳米管中应力波的传播特性,讨论了材料和结构参数对应力波传播特性的影响。研究结果表明:由于粘弹性的存在和碳纳米管性能的尺寸相关性,碳纳米管中应力波的传播存在临界直径。粘弹性系数、尺寸因子和范德华力对碳纳米管中应力波的临界直径有着显著的影响。此外,基于非局部应变梯度Mindlin板模型还研究了粘弹性单层石墨烯中应力波的传播特性,讨论了粘弹性系数、尺寸效应、磁场和弹性地基对石墨烯中膨胀波、弯曲波和剪切波传播特性的影响。研究结果表明:粘弹性单层石墨烯中膨胀波、弯曲波和剪切波均会出现阻断波数。膨胀波、弯曲波和剪切波的阻断波数敏感于粘弹性系数、尺寸效应以及磁场的变化。3.基于非局部应变梯度Euler-Bernoulli梁模型,以物理中性轴作为参考面,建立了与温度相关指数函数和S型函数功能梯度纳米梁的非线性强迫振动控制方程,通过多尺度方法得到了非线性强迫振动的解析解,讨论了由温度差和梯度指数引起的中性轴的偏差、非线性弹性地基和尺寸效应对纳米梁非线性共振的影响。研究结果表明:如果忽略由于材料梯度分布引起的物理中性轴相对几何中性轴的偏移,纳米梁的共振加强行为会被低估。温度差、尺寸效应和非线性弹性地基的刚度对中性轴偏移引起的共振加强低估具有重要影响。
【图文】：

细胞膜由脂类分子、蛋白质和糖类等构成，主要成分是蛋白质和脂类分子。脂逡逑类分子主要指的是磷脂分子。磷脂分子是两性的，分别是一个极性的亲水端头部和逡逑两条疏水性尾部，如图１－２所示［１２］。当一些磷脂分子分散放置在水中时，亲水端头逡逑部亲近水，两条疏水性尾部远离水，从而自发形成一个闭合膜泡，如图１－３所示［１３］。逡逑ＮＨ，逡逑ｒ逡逑—ｃＴ逡逑ｒ＿ｒ邋１邋Ｑ逡逑４邋＜邋Ｉ邋＞邋＜逦？逡逑Ｗ逦＜逦）逡逑＜邋＞逡逑Ｈ．＜逦／邋＼逡逑图１－２磷脂分子的化学结构式和示意图［１２］逡逑Ｆｉｇ邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｆｏｒｍｕｌａ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，邋ａｎｄ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐｈｏｓｐｈｏｌｉｐｉｄ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ＾１逡逑奢kx略逡逑图１－３水溶液中磷脂双层形成闭合膜泡［１３］逡逑Ｆｉｇ邋１－３邋Ｃｌｏｓｅｄ邋ｖｅｓｉｃｌｅ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｐｈｏｓｐｈｏｌｉｐｉｄ邋ｂｉｌａｙｅｒ邋ｉｎ邋ａｑｕｅｏｕｓ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ＾１３＾逡逑２逡逑

和Ｇｒｅｎｄｅｌ［１５］提出了类脂双层膜模型。１９３５年，Ｄａｎｉｅｌｌｉ和Ｄａｖｓｏｎ［１６］提出了蛋白质逡逑－脂分子双层－蛋白质夹板式模型，其后１９５９年，Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ［１７］对其进行了进一步的逡逑完善。１９７２年，Ｓｉｎｇｅｒ和Ｎｉｃｏｌｓｏｎ［１８］提出了被广为接受的流体镶嵌模型，如图１－４逡逑所示。在这个模型中，，细胞膜被认为是脂类双分子层。脂类分子可以像普通流体一逡逑样在细胞膜上自由移动。蛋白质分子无规则地镶嵌在磷脂双分子层中。这些蛋白质逡逑分子大致可以分成两种，一种是跨膜蛋白（贯穿整个磷脂双分子层）；另一种是镶逡逑入蛋白（嵌入在磷脂双分子层），它们对细胞膜实现其生物功能起着十分重要的作逡逑用。逡逑图１－４细胞膜流体镶嵌模型ＤＭ逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｆｌｕｉｄ邋ｍｏｓａｉｃ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｃｅｌｌ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ＾１逡逑弯电效应是液晶的一个重要内在属性，对细胞膜的变形有重要的影响。实验发逡逑现弯电效应不仅与细胞膜的曲率和极化有关，而且还和细胞系统的力传导和力敏逡逑感性有关［１９＿２１］。图１－５描述了由弯曲引起的生物膜的弯电效应［２２］。Ｒｅｙ［２３］提出了一逡逑个液晶模型来研宄膜泡的形状方程，考虑了弯曲、扭转、压力、张力和弯电能等影逡逑响因素，但是忽略了电解质的作用。Ｌｉｕ和Ｓｈａｒｍａ［２４］研宄了弯电效应对磷脂双分逡逑子层介电常数和弯曲刚度的影响
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1

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本文编号：2630975