微機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

　　摘 要：作為納米科技的一個(gè)分支，微機(jī)械和分子器件的研究工作受到普遍關(guān)注。如何針對(duì)納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）器件建立科學(xué)適用的力學(xué)模型，成為解決納米尺度動(dòng)力學(xué)問題的瓶頸。微機(jī)械是極其重要的一類NEMS器件，分為天然的與人工的兩類。人工分子機(jī)械是通過對(duì)原子的人為操縱，合成、制造出具有能量轉(zhuǎn)化機(jī)制或運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)制的納米級(jí)生物機(jī)械裝置。
　　關(guān)鍵詞：微型；機(jī)械；動(dòng)力學(xué)；進(jìn)展；
　　目前已經(jīng)成功研制出多種微機(jī)械，如分子馬達(dá)、分子齒輪、分子軸承等。但在實(shí)現(xiàn)微機(jī)械工程化與規(guī)�；�的過程中，由于受理論研究水平的制約，微機(jī)械的研究工作受到進(jìn)一步的制約。
　　一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
　　（一）力學(xué)模型
　　通過引入鍵長伸縮能、鍵角彎曲能、鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能以及非鍵作用能等，形成機(jī)械的勢能面，使系統(tǒng)總勢能最小的構(gòu)象即為分子機(jī)械的穩(wěn)定構(gòu)象。采用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)等方法，對(duì)分子機(jī)械的動(dòng)態(tài)構(gòu)象與運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。從理論上講，該模型可以獲得分子機(jī)械每個(gè)時(shí)刻精確的動(dòng)力學(xué)性能，但計(jì)算工作量十分龐大，特別是當(dāng)原子數(shù)目較大時(shí)，其計(jì)算工作量是無法承受的。第二類模型為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型。該模型將分子機(jī)械視為桁架結(jié)構(gòu)，原子為桁架的節(jié)點(diǎn)，化學(xué)鍵為連接節(jié)點(diǎn)的桿件，然后采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的有限元方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。該模型雖然克服了第一類模型計(jì)算量龐大的缺陷，但無法描述各原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故沒有考慮分子機(jī)械的光、電驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和量子力學(xué)特性，所以利用此模型難以對(duì)分子機(jī)械實(shí)施運(yùn)動(dòng)控制研究。
　　近年來，有學(xué)者提出將量子力學(xué)中的波函數(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)中的能量函數(shù)以及機(jī)構(gòu)學(xué)中的運(yùn)動(dòng)副等理論結(jié)合，建立分子機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析的體鉸群模型。在該模型中，將分子機(jī)械中的驅(qū)動(dòng)光子、電子、離子等直接作用的原子以及直接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的原子稱為體，聯(lián)接體的力場稱為鉸，具有確切構(gòu)象的體鉸組合稱為群。
　�。ǘ�）研究現(xiàn)狀
　　1960年，美國科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者RichardFEYNMA首次預(yù)言了利用生物化學(xué)方法合成分子機(jī)械并組裝分子工程系統(tǒng)的可能性。在此預(yù)言的感召下，許多科學(xué)家都致力于分子機(jī)械與分子器件的研制工作。特別是1980年以后，由于掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope，STM）、原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope，AFM）的出現(xiàn)，以及測量技術(shù)的進(jìn)步，為單個(gè)原子的移動(dòng)以及原子運(yùn)動(dòng)位移和作用力的測試等提供了有力的工具，使分子機(jī)械得以迅猛發(fā)展。特別是1991年日本科學(xué)家SumioIIJIMA發(fā)明了碳納米管之后，基于碳納米管的分子器件不斷出現(xiàn)。作為分子機(jī)械發(fā)展的里程碑，1992年美國麻省理工學(xué)院KEDREXLER在他出版的《Nanosys-tems：MolecularMachinery，Manufacturing，andCom-putation》一書中，最先給出了分子機(jī)械嚴(yán)謹(jǐn)而科學(xué)的定義，并對(duì)分子機(jī)械的制造方法、分析技術(shù)和工程應(yīng)用等進(jìn)行了全面介紹，標(biāo)志著新型交插學(xué)科———分子機(jī)械學(xué)的成立，并對(duì)典型分子器件構(gòu)象進(jìn)行了構(gòu)思。
　　2001年，美國紐約大學(xué)的HaoYAN等在《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究成果，用DNA分子成功合成了四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)控制研究。這項(xiàng)研究成果使DNA結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在獨(dú)立單元操作上獲得重大進(jìn)展，對(duì)進(jìn)一步建立精密分子機(jī)器的分析模型具有很大的幫助。在此工作基礎(chǔ)上，加州大學(xué)科學(xué)家又對(duì)一種天然的分子機(jī)械進(jìn)行人工重新設(shè)計(jì)，制造出了世界上最小的帶開關(guān)的馬達(dá)，該分子馬達(dá)由78個(gè)原子構(gòu)成，尺寸只有14nm，這種分子馬達(dá)可用在電子電路中，也可用于精密的細(xì)胞手術(shù)，這項(xiàng)成果使得科學(xué)家朝制造可控的單分子機(jī)械裝置方面邁進(jìn)了一大步。分子馬達(dá)的研制成功使納米技術(shù)研究提高到一個(gè)新水平。荷蘭和日本的科學(xué)家也研制成功了另一種由太陽能驅(qū)動(dòng)的分子馬達(dá)，在光照作用下，能夠連續(xù)不斷旋轉(zhuǎn)。分子馬達(dá)不但能夠?yàn)槲磥淼姆肿訖C(jī)械提供動(dòng)力，而且還可以幫助人們更深入地了解一些具有相似結(jié)構(gòu)的生命有機(jī)體，例如肌肉纖維及推動(dòng)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的鞭毛。
　　近年來，為了進(jìn)一步掌握分子機(jī)械的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基于分子機(jī)械的非線性力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)控制引起了科學(xué)家的極大關(guān)注。2000年德國學(xué)者AERBE等研究了納米振蕩器中的非線性特性，并利用了其振動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械混頻。
　　二、分子動(dòng)力學(xué)在納米機(jī)械加工技術(shù)總的進(jìn)展
　　美國與日本學(xué)者在常溫下運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)單晶體進(jìn)行垂直切削，使用的是金剛石車刀。在模擬過程中，建立的是二維原子模型或是三維原子模型，模型中大約包含了5000-8000個(gè)原子。模擬是金剛石車刀的刀刃的圓弧半徑是1-5毫米，切削速度在每秒2米或是每秒200米，從而得到在切削過程中，刀具分子與材料分子在位置與運(yùn)動(dòng)速度上的變化，從而更好地研究切削現(xiàn)象。
　　（一）切削力在切削中的影響
　　通過勢能函數(shù)中參數(shù)的改變，分子動(dòng)力學(xué)能夠通過模擬研究切削力的改變對(duì)切削效果的作用。研究表明，材料與刀具分子之間的結(jié)合力下降或是斥力的增加都能夠讓表面的粗糙程度加劇。
　�。ǘ�）切削溫度在切削中的影響
　　分子動(dòng)力學(xué)要想模擬得更加精確，就需要充分考慮到切削時(shí)產(chǎn)生的溫度影響。在仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，分子的勢能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)變不是由人工來進(jìn)行控制的，而是在達(dá)到已訂購條件后，分子自行轉(zhuǎn)變的。金屬的導(dǎo)熱率是由電子的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度決定的，所以切削溫度在切削中的影響研究可以通過對(duì)速度標(biāo)度的方式來模擬。研究表明，若是提高切削溫度，能夠有效減少切屑的產(chǎn)生，增加材料分子的測流，讓材料表面的粗糙度提升。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]劉細(xì)平，陳棟，王敏，黃躍飛，謝清華.變磁通軸向磁場永磁電機(jī)機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析與弱磁能力研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（23）：54-62.
　　[2]岳曉麗，陳慧敏.注重培養(yǎng)學(xué)生建立力學(xué)模型的能力——談?wù)劇皺C(jī)械動(dòng)力學(xué)”課程的教學(xué)[J].紡織服裝教育，2016，31（01）：57-59.
　　[3]李軍.齒輪齒條煤層氣鉆機(jī)起升系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].東北石油大學(xué)，2013.[4]楊帥.機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能建模、分析、優(yōu)化及工程應(yīng)用研究[D].天津大學(xué)，2010.[5]張策.關(guān)于碩士生和本科生機(jī)械動(dòng)力學(xué)課程內(nèi)容與教學(xué)的若干問題[A].
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