Nanomecanica

Nanomecanica este o ramură a nanoștiinței care se ocupă cu studiul și aplicațiile proprietăților mecanice fundamentale (elastice, termice și cinetice) ale sistemelor fizice la nanoscală . Nanomecanica a apărut la intersecția dintre mecanica clasică , fizica în stare solidă , mecanica statistică , știința materialelor și chimia cuantică . Ca domeniu al nanoștiinței, nanomecanica oferă o bază științifică pentru nanotehnologie .

Adesea, nanomecanicul este văzut ca o ramură a nanotehnologiei , și anume, un câmp aplicat care se concentrează pe proprietățile mecanice ale nanostructurilor proiectate și ale nanosistemelor (sisteme cu componente relevante la scară nanometrică). Exemple legate de acestea din urmă cuprind nanoparticule , nanopulberi, nanofire , nanobastoni , nanoriboni, nanotuburi , inclusiv nanotuburi de carbon (CNT, nanotuburi de carbon) și nanotuburi de nitrură de bor (BNNT, nanotuburi de nitrură de bor); NANOSHELLS , nanomebrane, NANOCOATINGS, materiale nanocompozite / nanostructurate] (fluide cu nanoparticule dispersate); nanomotorii etc.

Unele dintre domeniile stabilite ale nanomecanicii sunt: nanomaterialele , nanotribologia ( mecanica de frecare , uzură și contact la nanoscală ), sistemele nanoelectromecanice ( NEMS ) și nanofluidice .

Ca știință fundamentală, nanomecanica se bazează pe unele principii empirice (observații de bază):
1) principii mecanice generale;
2) principii specifice care decurg din micimea dimensiunilor fizice ale obiectului de studiu sau cercetare.

Principiile generale ale mecanicii includ:

• Principiile conservării energiei și impulsului
• Principiul de variație al lui Hamilton
• Principiile simetriei

Datorită micității obiectului studiat, nanomecanica ia în considerare și:

• Separarea ( discreția ) obiectului, a cărui dimensiune este comparabilă cu distanțele interatomice
• Pluralitatea, dar într-o măsură limitată , a gradelor de libertate ale obiectului
• Importanța fluctuațiilor termice
• Importanța efectelor entropice (a se vedea entropia de configurație )
• Importanța efectelor cuantice

Aceste principii servesc pentru a desena o imagine de bază cu privire la noile proprietăți mecanice ale obiectelor la scară nano. Noutatea este înțeleasă în sensul că aceste proprietăți nu sunt prezente în obiecte analoage la scară macro sau sunt foarte diferite de proprietățile acestora (de exemplu, nano-tije în comparație cu structurile obișnuite ale fasciculului macroscopic). În special, micimea obiectului dă naștere la diferite efecte de suprafață determinate de raportul suprafață / volum mai mare al nanostructurilor și, prin urmare, afectează proprietățile lor mecanico-energetice și termice (punctul de topire, capacitatea de căldură etc.). Distincția servește un motiv fundamental, de exemplu, în dispersia undelor mecanice în solide și într-un anumit comportament special al soluțiilor elastomecanice de bază la scări mici. Multitudinea de grade de libertate și creșterea fluctuațiilor termice sunt cauza tunelului termic al nanoparticulelor prin bariere potențiale , precum și prin difuzia transversală a lichidelor și solidelor . Micitudinea și fluctuațiile termice oferă motivele de bază pentru mișcarea browniană a nanoparticulelor. Importanța crescută a fluctuațiilor termice și a entropiei de configurație în nanoscală crește superelasticitatea , elasticitatea entropică ( forțe entropice ) și alte tipuri exotice de elasticitate a nanostructurilor . Aspectele entropiei de configurație sunt, de asemenea, de mare interes în contextul autoorganizării și al comportamentului cooperativ al nanosistemelor deschise.

Efectele cuantice determină forțele de interacțiune dintre atomii individuali din obiectele fizice, care sunt introduse în nanomecanică prin intermediul unor modele matematice comune numite potențiale interatomice .

Utilizarea în continuare a potențialelor interatomice în dinamica clasică a multicorpilor oferă modele mecanice deterministe ale structurilor și nanosistemelor la scară / rezoluție atomică. Metodele numerice de rezolvare a acestor modele se numesc dinamică moleculară (MD) și uneori mecanică moleculară (în special, în raport cu modelele (încă) echilibrate statistic). Abordările numerice nedeterministe includ metoda Monte-Carlo, Kinetica (KMC) și altele. Instrumentele numerice actuale includ, de asemenea, abordări hibride cu mai multe scale care permit utilizarea concomitentă sau secvențială a metodelor la scară atomică (de obicei, MD) cu metode continue (macro) la scară (de obicei, FEM ) într-un singur model matematic. Dezvoltarea acestor metode complexe este un subiect separat al cercetării mecanicii aplicate .

Efectele cuantice determină, de asemenea, noile proprietăți electrice, optice și chimice ale nanostructurilor și, prin urmare, găsesc o atenție și mai mare în domeniile adiacente ale nanoștiinței și nanotehnologiei , cum ar fi nanoelectronica , sistemele energetice avansate și nanobiotecnologia .

Elemente conexe

• Mașină moleculară
• Faza geometrică (secțiunea Efect pompă stochastică)

Surse

1. Bhushan B (editor). Springer Handbook of Nanotechnology, ediția a II-a. Springer, 2007.
2. Liu WK, Karpov EG, Park HS. Nano Mecanică și materiale: teorie, metode și aplicații pe mai multe scale. Wiley, 2006.
3. Cleland AN. Fundamentele nanomecanicii. Springer, 2003.