微机械动力学研究进展

　　摘 要：作为纳米科技的一个分支，微机械和分子器件的研究工作受到普遍关注。如何针对纳机电系统（NEMS）器件建立科学适用的力学模型，成为解决纳米尺度动力学问题的瓶颈。微机械是极其重要的一类NEMS器件，分为天然的与人工的两类。人工分子机械是通过对原子的人为操纵，合成、制造出具有能量转化机制或运动传递机制的纳米级生物机械装置。
　　关键词：微型；机械；动力学；进展；
　　目前已经成功研制出多种微机械，如分子马达、分子齿轮、分子轴承等。但在实现微机械工程化与规模化的过程中，由于受理论研究水平的制约，微机械的研究工作受到进一步的制约。
　　一、国内外研究现状
　　（一）力学模型
　　通过引入键长伸缩能、键角弯曲能、键的二面角扭转能以及非键作用能等，形成机械的势能面，使系统总势能最小的构象即为分子机械的稳定构象。采用分子力学和分子动力學等方法，对分子机械的动态构象与运动规律进行计算。从理论上讲，该模型可以获得分子机械每个时刻精确的动力学性能，但计算工作量十分庞大，特别是当原子数目较大时，其计算工作量是无法承受的。第二类模型为连续介质力学模型。该模型将分子机械视为桁架结构，原子为桁架的节点，化学键为连接节点的杆件，然后采用结构力学中的有限元方法进行动力学分析。该模型虽然克服了第一类模型计算量庞大的缺陷，但无法描述各原子中电子的运动状态，故没有考虑分子机械的光、电驱动效应和量子力学特性，所以利用此模型难以对分子机械实施运动控制研究。
　　近年来，有学者提出将量子力学中的波函数、结构力学中的能量函数以及机构学中的运动副等理论结合，建立分子机械动力学分析的体铰群模型。在该模型中，将分子机械中的驱动光子、电子、离子等直接作用的原子以及直接构成运动副的原子称为体，联接体的力场称为铰，具有确切构象的体铰组合称为群。
　　（二）研究现状
　　1960年，美国科学家、诺贝尔奖获得者RichardFEYNMA首次预言了利用生物化学方法合成分子机械并组装分子工程系统的可能性。在此预言的感召下，许多科学家都致力于分子机械与分子器件的研制工作。特别是1980年以后，由于扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope，STM）、原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM）的出现，以及测量技术的进步，为单个原子的移动以及原子运动位移和作用力的测试等提供了有力的工具，使分子机械得以迅猛发展。特别是1991年日本科学家SumioIIJIMA发明了碳纳米管之后，基于碳纳米管的分子器件不断出现。作为分子机械发展的里程碑，1992年美国麻省理工学院KEDREXLER在他出版的《Nanosys-tems：MolecularMachinery，Manufacturing，andCom-putation》一书中，最先给出了分子机械严谨而科学的定义，并对分子机械的制造方法、分析技术和工程应用等进行了全面介绍，标志着新型交插学科———分子机械学的成立，并对典型分子器件构象进行了构思。
　　2001年，美国纽约大学的HaoYAN等在《自然》杂志上发表了他们的研究成果，用DNA分子成功合成了四冲程发动机，并对其进行了运动控制研究。这项研究成果使DNA结构控制技术在独立单元操作上获得重大进展，对进一步建立精密分子机器的分析模型具有很大的帮助。在此工作基础上，加州大学科学家又对一种天然的分子机械进行人工重新设计，制造出了世界上最小的带开关的马达，该分子马达由78个原子构成，尺寸只有14nm，这种分子马达可用在电子电路中，也可用于精密的细胞手术，这项成果使得科学家朝制造可控的单分子机械装置方面迈进了一大步。分子马达的研制成功使纳米技术研究提高到一个新水平。荷兰和日本的科学家也研制成功了另一种由太阳能驱动的分子马达，在光照作用下，能够连续不断旋转。分子马达不但能够为未来的分子机械提供动力，而且还可以帮助人们更深入地了解一些具有相似结构的生命有机体，例如肌肉纤维及推动细菌运动的鞭毛。
　　近年来，为了进一步掌握分子机械的运动规律，基于分子机械的非线性力学特性和运动控制引起了科学家的极大关注。2000年德国学者AERBE等研究了纳米振荡器中的非线性特性，并利用了其振动特性，实现了机械混频。
　　二、分子动力学在纳米机械加工技术总的进展
　　美国与日本学者在常温下运用分子动力学对单晶体进行垂直切削，使用的是金刚石车刀。在模拟过程中，建立的是二维原子模型或是三维原子模型，模型中大约包含了5000-8000个原子。模拟是金刚石车刀的刀刃的圆弧半径是1-5毫米，切削速度在每秒2米或是每秒200米，从而得到在切削过程中，刀具分子与材料分子在位置与运动速度上的变化，从而更好地研究切削现象。
　　（一）切削力在切削中的影响
　　通过势能函数中参数的改变，分子动力学能够通过模拟研究切削力的改变对切削效果的作用。研究表明，材料与刀具分子之间的结合力下降或是斥力的增加都能够让表面的粗糙程度加剧。
　　（二）切削温度在切削中的影响
　　分子动力学要想模拟得更加精确，就需要充分考虑到切削时产生的温度影响。在仿真模拟实验中，分子的势能向动能的转变不是由人工来进行控制的，而是在达到已订购条件后，分子自行转变的。金属的导热率是由电子的运动强度决定的，所以切削温度在切削中的影响研究可以通过对速度标度的方式来模拟。研究表明，若是提高切削温度，能够有效减少切屑的产生，增加材料分子的测流，让材料表面的粗糙度提升。
　　参考文献
　　[1]刘细平，陈栋，王敏，黄跃飞，谢清华.变磁通轴向磁场永磁电机机械动力学分析与弱磁能力研究[J].电工技术学报，2016，31（23）：54-62.
　　[2]岳晓丽，陈慧敏.注重培养学生建立力学模型的能力——谈谈“机械动力学”课程的教学[J].纺织服装教育，2016，31（01）：57-59.
　　[3]李军.齿轮齿条煤层气钻机起升系统设计与研究[D].东北石油大学，2013.[4]杨帅.机械产品动态性能建模、分析、优化及工程应用研究[D].天津大学，2010.[5]张策.关于硕士生和本科生机械动力学课程内容与教学的若干问题[A].
　　（作者单位：山西农业大学信息学院）

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