周期温度梯度场作用下的纳尺度持续运动

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从自然的演化到人类的生命活动,驱动都扮演着至关重要的角色。驱动是指通过特定的作用方式使得目标物体产生定向运动。各种机器在实现驱动的过程中,往往伴随着能量转换、动力传递或物质输运等现象。一种新的驱动技术有可能会彻底改变人类的生产生活方式。随着纳米科技新兴的发展,纳米器件的设计成为了热门研究领域,人们对纳米器件运动多样性的需求与日俱增,因此探寻纳尺度下器件的全新的定向驱动机制是非常有必要的。现阶段,科学家通过大量的研究表明,通过施加热场、电场、光场或磁场等外部场可以实现纳米器件的定向运动,构筑出驱动目标物体在纳尺度下移动或转动的器件。当这些纳米器件进行工作时,通常要求其对目标物体进行持续且可控的长程驱动。目前已存在的纳米驱动器件,虽然能实现定向驱动,但无法在单一稳定的外场下持续、定向、可控地运动。因而本文设计了一种可以在周期性稳定热场下持续长程运动的纳米驱动单元,并且运用分子动力学方法进行了计算模拟,接着提出对应的解析模型进一步验证设计的合理性。主要研究内容如下:(1)运用分子动力学的方法设计一种纳米驱动单元,其由一根碳/氮化硼异质结纳米外管和一根同心碳纳米管内管组成。我们考虑针对同一个模型,在外管异质结碳管侧、异质结上、异质结氮化硼管侧三种情况下分别在对应区域施加一个非对称的温度梯度场来研究内管的运动情况。模拟结果显示碳纳米管内管在三种周期的温度外场下,可以产生三种持续的长程定向运动。不同定向运动产生的机理是基于三种异质结外管的温度分布情况下的固体表面的热泳。(2)为了研究纳尺度下被驱内管运动的可控性,我们提出了相关解析模型,以及用于描述碳纳米管运动速度的解析式,表明了温度梯度和异质结纳米管的几何结构参数与碳纳米管运动速度之间的关系。模拟结果与解析预测的情况吻合的较好,进而验证了模型的合理性。
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