应力驱动低维材料的自组装与失稳形貌
发布时间：2021-07-18 14:31
应力驱动的材料自组装以及失稳形貌在生活中十分常见,研究这些形貌不仅可以解释自然界中丰富形貌的形成机理,在工业界也具有重要的应用价值。一方面我们需要抑制器件在复杂应力环境下的服役过程产生失稳形貌,从而避免它们发生老化失效现象;另一方面随着现代制造业尤其是微纳米加工制造的迅速发展,各类自组装以及失稳形貌为自下而上的微纳制备方法提供了指导。本文主要聚焦各类低维材料自组装以及失稳形貌中的关键性问题,研究了纳米管、单层胶体晶体以及薄膜基底结构在应力驱动下的演化过程及其稳定形貌。本文揭示了溶剂热法合成纳米管过程中由纳米空心球融合为纳米管结构的物理机理。首先我们在实验中得到了溶剂热法中不同反应时间下的产物,发现反应中间产物为无序聚集的纳米空心球。随后通过线性稳定性分析我们得到了纳米管状结构的形貌稳定相图,发现曲率弹性能主导系统总能量时空心球会发生逆向Plateau-Rayleigh失稳,从而融合成管状结构。最后利用相场非线性模拟重现了空心球融合为管状结构以及垂直交叉的管状网络结构的演化过程,验证了线性稳定性分析的结果。本文探究了胶体晶体在曲面上的自组装生长形貌。以往的研究表明曲晶体为了释放曲率导致的...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：164 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）磷脂双分子层自组装为不同形貌的磷脂结构：脂质体、胶束和双分子层？（ｂ）??由分子结构单元自组装为骨组织再生结构的示意图１１１
?第１章绪?论???麵??图１．２?（ａ）?土地干涸龟裂图案。Ｃｂ）蜿蜒山脉两侧的褶脊。（ｃ）风力导致沙丘上形成的波??动图案。??学和物理学的影响，其中力学在调节植物形态［４＿５］，细胞生长和分化［６＿＼以及组??织形貌［ＷＧ：１等方面均起着重要的作用。??生物细胞中由于细胞膜和细胞质之间弹性性质的不匹配，在渗透溶胀，以及??细胞生长或吞噬过程［＂］中会发生弹性失稳，形成褶皱形貌。在机械应力或渗透??外力作用下，细胞形态的整体变化主要受细胞膜下肌动蛋白细胞骨架的力学机??制控制。例如Ｋｕｓｔｅｒｓ等人ＰＩ研宄发现当脂质体表面聚合的肌动蛋白网壳在体??积减小时，通过改变肌动蛋白壳的厚度，细胞膜会呈现出屈曲与起皱两种不同的??失稳形貌。??力学除了在细胞尺度上影响生物膜等结构的形貌外，也影响着较大尺度的??生物组织或者器官的形貌，其中大脑皮层的沟回结构就是最好的例子之一。几个??世纪以来，大脑皮层折叠模式形态的形成机制仍是一个悬而未决的问题。事实??上，人类大脑皮层并非生来就具有沟回结构，在胎儿时期大脑皮层是光滑的。当??脑部神经元继续分裂、生长和迁移时，皮层结构开始折叠并形成独特的凸起和沟??槽形貌，如图１．１?（ｃ）?（ｄ）所示。研究大脑皮层的折叠形貌在医学上有重要的意??义，因为它与智力［１３］以及包括精神分裂症和自闭症在内的一些大脑疾病密切相??３??
ｆｃ设??Ｗ?％?ＨＷ?ｐｐｓａ?ｇｓＦ？＾＊??１ＣＯ，?Ｎａｔｕｒｅ?ｐ?Ａ?．＊?ｇ??－?ｍ＾ｊｎ??Ｅｘｐ?ｉ＾＆ｉｌ?＾??Ｌ－＾，?ｐ＝?５％．?ｓａｄｄｌｅ?＾ＩＳＩＰ??Ｗ’美?一?＇ｒ卜＇，雜袷??ｐ?＝?２０％．?ｒｉｐｐｌｅｄ?ｉｆ：?，、’?｜丨：ｆ?°??ｍ－〇４?■－！．ｊ?匾?〇??＾４?＾?ｐ＾ｒ￣ｎ?ｒ??§：：严，一Ｓ?議?Ｏ??ｗ?、?／?ｍｍｍ?＾??？?■，＇ｉ：士二■?Ｅｘｐ??２?ｙ（ＯＴ）?２??图１．３?（ａ）生长差异导致叶片在内部呈现鞍形，而在边缘处呈现波浪形１２４〗。（ｂ）在水面??上漂浮的荷叶与茎叶支撑的自由荷叶的不同形貌｜３２１。??形态之外，类球形核壳结构的失稳也可以用于理解自然界中的各种形貌。当球??形的核壳结构内外膨胀程度不同时，一般会在表面形成随机取向的屈曲形貌［２２］。??而当核壳结构为椭球形时，内外膨胀程度不同将会在椭球表面产生不均匀分布??的应力，且应力分布依赖于椭球的形貌特征，因此不同的椭球形失稳就会形成各??类不同的表面屈曲形貌［３３＿３４］。如图１．４所示，许多植物以及水果的形状就可以认??为是椭球形核壳结构内外生长差异导致的结构失稳形貌。而当水果干燥脱水时，??果肉的急剧收缩也会产生不均匀应变导致表面发生失稳，且失稳形貌根据水果??的初始构型不同而不同，在类球形Ｓｉ０２薄膜／Ａｇ衬底的３Ｄ自组装应用中也观察??到了类似的形貌［３５］。??在地质学中的各类形貌研宄中，力学分析也提供了不可替代的作用。例如通??过研宄干燥裂纹，研宄人员发现诸多尺度迥异的现象具有类似的机理：干淀粉柱??与熔岩柱状节理完全相似
【参考文献】：
期刊论文
[1]基底上薄膜结构的非线性屈曲力学进展[J]. 倪勇,刘佩琳,马龙,李世琛,何陵辉. 固体力学学报. 2018(02)
[2]可延展柔性无机微纳电子器件原理与研究进展[J]. 冯雪,陆炳卫,吴坚,林媛,宋吉舟,宋国锋,黄永刚. 物理学报. 2014(01)
[3]简单溶液法组装碳纳米管三维垂直网络构架[J]. 吴长征,罗巍,宁博,谢毅. 科学通报. 2009(08)
博士论文
[1]薄膜结构翘曲研究[D]. 李世琛.中国科学技术大学 2019
本文编号：3289763
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：164 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）磷脂双分子层自组装为不同形貌的磷脂结构：脂质体、胶束和双分子层？（ｂ）??由分子结构单元自组装为骨组织再生结构的示意图１１１
?第１章绪?论???麵??图１．２?（ａ）?土地干涸龟裂图案。Ｃｂ）蜿蜒山脉两侧的褶脊。（ｃ）风力导致沙丘上形成的波??动图案。??学和物理学的影响，其中力学在调节植物形态［４＿５］，细胞生长和分化［６＿＼以及组??织形貌［ＷＧ：１等方面均起着重要的作用。??生物细胞中由于细胞膜和细胞质之间弹性性质的不匹配，在渗透溶胀，以及??细胞生长或吞噬过程［＂］中会发生弹性失稳，形成褶皱形貌。在机械应力或渗透??外力作用下，细胞形态的整体变化主要受细胞膜下肌动蛋白细胞骨架的力学机??制控制。例如Ｋｕｓｔｅｒｓ等人ＰＩ研宄发现当脂质体表面聚合的肌动蛋白网壳在体??积减小时，通过改变肌动蛋白壳的厚度，细胞膜会呈现出屈曲与起皱两种不同的??失稳形貌。??力学除了在细胞尺度上影响生物膜等结构的形貌外，也影响着较大尺度的??生物组织或者器官的形貌，其中大脑皮层的沟回结构就是最好的例子之一。几个??世纪以来，大脑皮层折叠模式形态的形成机制仍是一个悬而未决的问题。事实??上，人类大脑皮层并非生来就具有沟回结构，在胎儿时期大脑皮层是光滑的。当??脑部神经元继续分裂、生长和迁移时，皮层结构开始折叠并形成独特的凸起和沟??槽形貌，如图１．１?（ｃ）?（ｄ）所示。研究大脑皮层的折叠形貌在医学上有重要的意??义，因为它与智力［１３］以及包括精神分裂症和自闭症在内的一些大脑疾病密切相??３??
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【参考文献】：
期刊论文
[1]基底上薄膜结构的非线性屈曲力学进展[J]. 倪勇,刘佩琳,马龙,李世琛,何陵辉. 固体力学学报. 2018(02)
[2]可延展柔性无机微纳电子器件原理与研究进展[J]. 冯雪,陆炳卫,吴坚,林媛,宋吉舟,宋国锋,黄永刚. 物理学报. 2014(01)
[3]简单溶液法组装碳纳米管三维垂直网络构架[J]. 吴长征,罗巍,宁博,谢毅. 科学通报. 2009(08)
博士论文
[1]薄膜结构翘曲研究[D]. 李世琛.中国科学技术大学 2019
本文编号：3289763
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