Наномеханика - это раздел нанонауки, изучающий фундаментальные механические (упругие, термические и кинетические) свойства физических систем в нанометровом масштабе. Наномеханика возникла на перекрестке биофизики , классической механики , физики твердого тела , статистической механики , материаловедения и квантовой химии . Как область нанонауки, наномеханика обеспечивает научную основу нанотехнологий .
Наномеханика - это раздел нанонауки, который занимается изучением и применением фундаментальных механических свойств физических систем на наномасштабе, таких как упругие, термические и кинетические свойства материалов.
Часто наномеханика рассматривается как ветвь в области нанотехнологий , то есть прикладная область с акцентом на механических свойствах модифицированных наноструктура и наносистем (системы с наноразмерными компонентами значения). Примеры последних включают наномашины , наночастицы , нанопорошки, нанопроволоки , наностержни , наноленты, нанотрубки , включая углеродные нанотрубки (CNT) и нанотрубки нитрида бора (BNNT); нанооболочки , наномембраны, нанопокрытия, нанокомпозитные / наноструктурированные материалы (жидкости с диспергированными наночастицами); наномоторы и т. д. [ цитата необходима ]
Некоторые из хорошо известных областей наномеханики : наноматериалы , нанотрибология ( трение , износ и контактная механика на наномасштабе ), наноэлектромеханические системы (НЭМС) и наножидкости .
Как фундаментальная наука, наномеханика основана на некоторых эмпирических принципах (базовых наблюдениях), а именно общих принципах механики и конкретных принципах, вытекающих из малых физических размеров объекта исследования.
Общие принципы механики включают:
- Принципы сохранения энергии и импульса
- Вариационный принцип Гамильтона
- Принципы симметрии
Ввиду малых размеров исследуемого объекта в наномеханике также учитываются:
- Дискретность объекта, размер которого сопоставим с межатомными расстояниями.
- Множественность, но конечность , из степеней свободы в объекте
- Важность тепловых колебаний
- Важность энтропийных эффектов (см. Энтропию конфигурации )
- Важность квантовых эффектов (см. Квантовую машину )
Эти принципы служат для получения базового представления о новых механических свойствах нанометровых объектов. Новизна понимается в том смысле, что эти свойства не присутствуют в подобных объектах макроуровня или сильно отличаются от свойств тех (например, наностержней по сравнению с обычными макроскопическими структурами пучка). В частности, малость самого объекта вызывает различные поверхностные эффекты, определяемые более высоким отношением поверхности к объему наноструктур , и, таким образом, влияет на механоэнергетические и термические свойства (температура плавления, теплоемкость и т. Д.) Наноструктур . Дискретность служит фундаментальной причиной, например, для дисперсии механических волн в твердых телах и некоторого особого поведения основных решений эластомеханики на малых масштабах. Множественность степеней свободы и рост тепловых флуктуаций являются причиной теплового туннелирования из наночастиц через потенциальные барьеры, а также для перекрестной диффузии из жидкостей и твердых тел . Малость и тепловые флуктуации являются основными причинами броуновского движения наночастиц. Увеличение значения тепловых колебаний и конфигурации энтропии на наноразмерных подъеме придают сверхэластичности , энтропийного упругости ( энтропийных сил ), а также другие экзотические виды эластичности в наноструктурах . Аспекты конфигурационной энтропии также представляют большой интерес в контексте самоорганизации и кооперативного поведения открытых наносистем.
Квантовые эффекты определяют силы взаимодействия между отдельными атомами в физических объектах, которые вводятся в наномеханику с помощью некоторых усредненных математических моделей, называемых межатомными потенциалами .
Последующее использование межатомных потенциалов в рамках классической многотельной динамики обеспечивает детерминированные механические модели наноструктур и систем в атомном масштабе / разрешении. Численные методы решения этих моделей называют молекулярной динамикой (МД), а иногда и молекулярной механикой (особенно применительно к статически уравновешенным (неподвижным) моделям). Недетерминированные численные подходы включают Монте-Карло , Кинетический метод Мор-Карло (KMC) и другие методы. Современные численные инструменты включают также гибридные многомасштабные подходы, позволяющие одновременно или последовательно использовать методы атомистического масштаба (обычно MD) с методами континуального (макро) масштаба (обычно, автоэмиссионная микроскопия ) в рамках единой математической модели. Разработка этих сложных методов - отдельный предмет исследований прикладной механики .
Квантовые эффекты также определяют новые электрические, оптические и химические свойства наноструктур , и поэтому им уделяется еще большее внимание в смежных областях нанонауки и нанотехнологий , таких как наноэлектроника , передовые энергетические системы и нанобиотехнологии .
Смотрите также
- Молекулярная машина
- Геометрическая фаза (раздел Стохастический эффект накачки)
- Наноэлектромеханическое реле
Рекомендации
- Sattler KD. Справочник по нанофизике: Vol. 1 Принципы и методы. CRC Press, 2011.
- Бхушан Б. (редактор). Справочник Springer по нанотехнологиям, 2-е издание. Спрингер, 2007.
- Лю В.К., Карпов Э.Г., Парк Х.С. Нано механика и материалы: теория, многомасштабные методы и приложения. Wiley, 2006.
- Cleland AN. Основы наномеханики. Спрингер, 2003.