纳微尺度铜金属有机框架催化过氧化氢氧化异丁香酚

通过水热法及沉淀法,合成了纳微尺度铜金属有机框架催化剂。通过FT-IR、TG及TEM等技术手段对其性能和结构进行了表征。系统考察了催化剂、溶剂种类及用量、反应时间等因素对异丁香酚氧化制备香草醛的影响。结果表明,用均苯三甲酸根（BTC）作配体时制备的催化剂Cu-BTC性能较佳。以Cu-BTC为催化剂、30%（质量分数）H2O2为氧化剂、乙腈为介质,当n（异丁香酚）∶n（H2O2）=1∶2.4时,50℃,反应8 h,异丁香酚转化率为94.4%,香草醛产率达到81.8%。纳微尺度（粒径30-300 nm）Cu-BTC催化剂体现了良好的重复使用性能,连续反应5次,异丁香酚转化率保持在90%左右。

调控纳微尺度分子组装的装置

分子间电子云共享机制决定分子间作用力强弱(化学键形成与否)。据此原理,设计研制了能对纳微尺度分子组装过程进行调控的新型仪器装置。创新性的将激光粒度分析、高速成像系统等可视化监测手段集成到该仪器装置中,实现电极化反应及产物形成过程的实时在线监测,记录去溶剂化过程的特征。研究分子的本质属性(如分子结构、极性、挥发性、电负性)、共存基体(如溶剂、其它共存物质)、环境参数(如温度、压力、距离、电场)对不同粒子(如中性分子、正离子、负离子)组装过程的影响及能量相关的动力学过程。目前,已实现了极稀NaCl溶液快速可控结晶、纳米金形貌尺寸调控、Pd/TiO2等纳米线阵列及ZnFe2O4等薄膜的制备,在无机功能材料的结构合成与制备中展示了良好的发展前景。

纳微尺度溶液体系的精确计算

在纳微尺度上,分子性质、传质过程、化学反应等均与在宏观尺度表现不同.因此,近年来在生命科学、材料科学等领域对于纳微尺度下的液滴和溶液体系的研究蓬勃发展.采用计算模拟手段对相关体系的准确表征有助于揭示其在微观层面的分子机制,并为解开生命的奥秘、促进新材料的研发提供新的见解.本综述回顾了使用模拟方法,包括分子力场、量子化学方法以及结合机器学习等,研究此类体系的最新进展,重点关注纳微尺度下气液界面(包括空气/水、空气/溶液,以及大气/水)的溶液体系.此外,我们还对适用于纳微尺度溶液化学的计算模拟手段未来的发展进行了展望.

微纳尺度结构动力学专刊序

围绕微纳尺度结构跨尺度动力学建模、动力学分析、动力学控制、动力学设计与测量方法等研究主题,本专刊介绍了微纳尺度结构动力学与控制领域的一些最新研究成果.

微纳尺度气液传质强化油品催化加氢反应

相比于经典的滴流床加氢技术,液相加氢技术由于其一次性投资成本和运行能耗低,受到了企业界和学术界的广泛关注。但如何进一步强化氢油相界面的传质速率来提高液相加氢效率,仍是一个重要的难题。近年来快速发展的微纳尺度气泡或液滴的气液传质强化技术有助于油品催化加氢反应。本文以微纳气泡为例,首先总结了微纳气泡特点及产生方式,简述了微纳尺度气液传质强化液相加氢过程可行性判别,回顾了微纳尺度气液传质强化在油品液相加氢工艺中的相关研究及工业应用。最后分析了微纳尺度气液传质强化在油品液相加氢中面临的挑战以及发展方向,即微纳尺度传质与本征反应的匹配、工况条件微纳气泡在反应器中的流动以及含微纳气泡混合物的气液分离等。

微纳尺度流动与界面流动专题序

微纳尺度流动与界面流动是流体力学的重要分支学科[1],其中微纳尺度流动关注微米、亚微米乃至纳米尺度下流体运动及物质输运规律,界面流动关注不同流体或流固界面之间的相互作用及流动规律.随着微流控芯片和微纳机电系统的发展,微纳尺度流动与界面流动已成为流体力学学科的重要前沿领域,并且涉及了流体力学与生命科学、材料科学、医疗健康、能源环境、先进制造等多学科领域的交叉融合.

探索微纳尺度润湿动力学:长针式原子力显微镜的应用与进展

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的精准操控和小尺度力学测量等优势,结合长针式探针组装成的微流变计可以直接测量气-液-固三相接触线上的毛细力,并监测探针在垂直方向运动中力的动态变化.通过该技术手段,可以实现对流体界面的动力学行为以及各类材料在液体环境中力学性质在微纳尺度的精确表征.文章将系统介绍长针式原子力显微镜技术的实验原理和方法,及其在微纳尺度非理想界面润湿动力学中的最新研究进展,包括低能垒表面毛细力的速度依赖性与非对称性、无序粗糙表面接触线黏滑运动的统计学规律、柔性表面接触线动力学的状态与速度定律、以及离子液体-金属界面处电场对接触角迟滞的调控等,最后展望了该技术在新兴领域中的应用.该实验手段为检验各类理论模型与数值模拟提供了可信数据,为探究界面上复杂现象的物理本质提供参考.

微纳尺度金属疲劳研究取得新进展

近年来,新能源、人工智能及信息通讯等领域的快速发展使得相关器件尺寸不断微小化,器件所用材料的特征尺度也不断向亚微米甚至纳米尺度减小。然而,这些微纳米尺度材料在长期服役过程中的疲劳可靠性已成为业界关注的焦点。

微纳介尺度气液反应过程强化

阐述了微纳介尺度气液反应过程强化的研究背景,分析了该领域面临的微纳介区域中介质分散机制的关键科学问题及研究思路。以超重力反应器、膜反应器为例,介绍了我国在气液反应过程强化方面的基础研究以及潜在的工业应用,并提出了未来的发展方向。

页岩微纳观尺度雁列式断续裂纹的原位观测

在自然界岩石和工程围岩中,宏观尺度雁列式断续破裂现象较为常见。然而,在微纳观尺度上,是否也存在类似的雁列式断续破裂特征?其扩展与演化过程又是怎样的?这是非常值得探讨的基础科学问题。采用带切槽的弧形页岩试样,在扫描电子显微镜(SEM)下开展原位拉伸与微纳观破裂过程观测试验。基于原位观测分析,获得如下几点认识:(1)在微纳米尺度,依然存在断续破裂现象,呈"S"形或反"S"形雁列式展布,是由裂纹尖端部位拉张-剪切复合应力场及矿物非均质性共同诱导形成的。(2)微纳观雁列式断续裂纹总体展布特征和扩展、演化过程是有规律可循的,相邻微裂纹近似平行展布。对单个裂纹来讲,中间的拉张裂纹近似平行于最大拉张应力方向,而两端翼裂纹转向朝着最大剪切应力方向扩展。(3)微纳观雁列式断续裂纹仅代表着主裂纹路径形成过程中的暂时的剪切变形状态或某个中间扩展阶段。(4)雁列式断续裂纹在微米至纳米尺度上具有多尺度分层级结构特征:相对较大尺度的雁列式断续裂纹包含着更小尺度的次级雁列式断续裂纹。该研究提供了微纳观尺度页岩雁列式破裂的观测证据,为分析页岩多尺度裂纹演化过程提供了重要支撑。

三轴压缩试验前后含气页岩微纳尺度裂隙空间分布特征研究

含气页岩受力后裂隙扩展分布方式与矿物之间的关系研究对页岩气勘探开采具有重要指示意义,但受制于前期仪器设备水平的不足,目前相关研究较少。本文以四川盆地志留纪龙马溪组页岩为例,分别选择三轴压缩试验前后的天然样和压缩样进行氩离子抛光,借助高性能场扫描电镜和能谱仪进行矿物晶体和微纳尺度的裂纹观察(分别设定扫描电镜像素大小10 nm和1μm,观察面积设为1 mm),结合空间统计分析技术,进行三轴压缩试验前后含气页岩微纳尺度裂隙空间分布特征及其与矿物组成的相关关系进行分析研究。研究表明,三轴压缩试验前后,样品内微纳尺度裂隙的空间分布均符合幂律分布,具有一定的自仿射性和层次结构性。但是不同矿物(石英、长石、碳酸盐、黏土等)在受压前后产生的微观裂隙分布特征值(D、logC)变化方式存在显著差异,反映了不同矿物的力学响应特征和机制的不同以及不同矿物对页岩压裂造缝的贡献作用的不同。脆性矿物中的长石、碳酸盐矿物组成以及脆性矿物与黏土矿物的相互作用可能对页岩缝网改造中起着较为重要的作用。不同矿物压缩前后的破坏模式总体存在从张性破坏到剪性破坏的转变过程,然而不同矿物类型在压缩前后裂隙展布形态特征及力学机制有很大不同,特别是碳酸盐类和黏土类矿物变化最为显著,容易形成较复杂的缝网,并存在复杂应力状态主导的多种不同力学机制裂纹共存的现象,在研究时需要考虑页岩复杂矿物构成和结构导致的破裂过程的不确定性等因素。

微纳尺度电气击穿特性和放电规律研究综述

微纳尺度电气击穿特性和放电规律是当前国内外学者的研究热点。本文回顾了近70年来国内外学者在该领域的主要研究工作和成果,重点从研究手段、放电规律以及物理机制等方面对不同物理尺度介电系统(宏观尺度电极/微米间隙、微米尺度电极/微米亚微米间隙、纳米尺度电极/纳米亚纳米间隙)的放电击穿特性进行了总结,阐述了电极间隙、气压、电极材料和电极形状等因素的影响机制以及不同物理尺度介电系统的放电规律。通过对微纳尺度电气击穿特性和放电规律的概括和分析,发现当前存在的主要问题并指出下一步的研究方向,对丰富和完善微纳尺度放电击穿理论具有重要参考意义。

微纳尺度毛细芯吸液特性

为提高相变传热中毛细芯的吸液性能,以4种粒度(d_a=556 nm^73.8μm)的球形铜粉并添加不同体积分数的Na_2CO_3(φ=0%~40%),用粉末烧结的方法制备不同规格的毛细芯,采用红外热成像法测定液体在其内部的爬升高度,用高速摄影捕捉液滴被吸入的运动过程,以此为基础对微纳尺度毛细芯的吸液特性进行研究。结果表明:不同的颗粒直径及掺盐比可使毛细芯内部结构产生明显的差异,从而显著影响毛细芯的毛细特性和液体在其内部的爬升高度。当φ=0%时,与d_a=556 nm的毛细芯相比,d_a=73.8μm的毛细芯中液体的爬升高度增加约373 mm;而对d_a=24.1μm的毛细芯,最佳掺盐比φ=30%,液体所达到的最大爬升高度约518 mm,相比φ=0%的毛细芯,液体爬升高度提升45%。液滴被吸入的运动过程表明,由于纳米级毛细芯的毛细吸力较大,在液滴吸入初期可使其产生较大的变形,但由于渗透率较小导致完全吸入液滴所用时间较长,可见毛细芯吸液过程是毛细吸力和渗透率协同作用的结果,可通过调节金属粉末直径和掺盐比获得最优性能。

微／纳尺度接触问题计算方法研究进展

接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,近来随着微/纳米技术的不断发展,接触力学在基础理论和研究方法上面临许多新的挑战.本文在摩擦学的范畴内,对近年发展的若干求解微/纳尺度接触问题的计算方法及理论进行了综述.按发展先后及所解决问题的尺度范围划分,主要有3类评估微/纳尺度接触性能的计算方法:(1)连续介质力学方法;(2)分子动力学模拟;(3)多尺度方法.介绍了这3类计算方法的典型理论和主要数学描述,给出了这些方法对解决若干微/纳观接触问题如黏着效应、粗糙表面描述、表面摩擦及润滑、表面热效应、生物接触等的主要应用.最后,探讨了微/纳尺度接触问题计算方法可能的发展方向及应用领域.

微纳尺度3D打印纳米复合材料技术简析

介绍了微激光烧结成型技术(MSLS)、微滴喷射成型技术(MDJ)、双光子聚合光固化成型技术(TPP)、微立体光刻成型技术(MSLA)、薄材叠层实体制造成型技术(LOM)、丝材熔融沉积成型技术(FDM)的基本情况,对不同微纳米3D打印技术进行比较分析,分析了国内外微纳尺度3D打印纳米复合材料技术的研究进展情况,并指出微纳尺度3D打印纳米复合材料技术未来研究开发的重点。

微纳尺度俄歇电子能谱新技术开发及其应用进展

随着纳米结构材料的广泛应用,新型微纳尺度表征技术成为纳米科学技术发展的重要途径。本文基于局域电子信息全面性的思想,从俄歇电子能谱的原理出发,理论推导出俄歇价电子能谱的简明表述方式,确定俄歇价电子能谱与微观电子结构信息的内在联系和物理意义,建立了俄歇电子能谱探测微区一系列宏观参量的新技术。其中应力测量技术的空间分辨率可优于20nm,为微纳尺度力学测量的发展提供了重要的方法;非接触性的局域电学性质测量技术,超越了传统电学测量方法的思想框架,实现了无外场驱动的电荷密度分布、电场分布等本征电学性质表征、以及半导体异质结构整个空间区域的能带构造;结构相的测定技术,使纳米微区材料的晶体结构相识别成为可能;半导体微区导电类型测定技术,延续了非接触性电学测量的优点,并且能够灵活地探测分析复杂光电器件结构中不同区域的导电类型分布。通过实际应用于侧向外延GaN不同区域、AlxGa1-xN/GaN超晶格量子阱结构、ZnO纳米颗粒等纳米尺度复杂体系的微区宏观性质探测,获得应力/应变、电荷密度/电场、结构相以及导电类型及其分布等结果,验证了所建立的测量技术的有效性和可靠性。

滑移边界条件下平板间流体的微纳尺度泊肃叶流动特性

微纳尺度泊肃叶流动特性的动量传递分析对于提升微纳机电系统的性能至关重要。目前,对于滑移边界条件下平板间流体的微纳尺度泊肃叶流动问题,传统的传递原理教学中缺乏相应的传递理论分析。本文从N-S方程出发,推导出微纳尺度泊肃叶流动的速度分布和流体流动阻力等动量传递规律,以丰富传递原理的教学内容。

微纳跨尺度结构ZnO表面的壁面减阻特性

通过化学气相沉积方法获得了具有良好超疏水特性的微纳跨尺度结构ZnO表面,其表面接触角为150.7°。扫描电镜(SEM)的测试结果表明,样品结构为ZnO微米柱阵列和在上面交织生长的高密度ZnO针状纳米线的复合结构。通过流变仪,采用分步流动模式对样品表面在不同的剪切速率和不同间距的情况下进行测量,得到了扭矩与剪切速率之间的关系。进一步选择覆盖硅烷的光滑Si表面作为对比样品,选用40%的甘油作为试验液体,当剪切速率接近20s-1时,测试的表面滑移长度为46.8μm。这表明微纳跨尺度结构的ZnO表面可有效增加流体减阻特性,有利于制备具有减阻效应的微器件。

分子动力学在微/纳尺度接触问题上的应用

在广泛阅读国内外文献基础上,叙述了分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟法的基本思想和步骤,对MD法在微/纳尺度接触问题的应用进行了综述.最后,指出MD法在研究微/纳尺度接触问题的局限性,提出一种更为精确的研究微/纳尺度接触问题的方法——多尺度耦合法.

聚焦离子束在微纳尺度材料力学性能研究中的应用

微纳尺度材料是指外观尺寸或其基本构成单元在10 nm到10μm之间(以下简称微纳尺度)的材料或器件。个案、定性的研究表明微纳尺度材料有以下特性:其性能不能通过外推基于宏观块体材料的知识体系得到,传统的力学测试工具和方法无法满足对微纳尺度材料进行测试的要求,微纳尺度材料通常在多场耦合条件下服役。这些特性要求研究工作者持续不断地寻找和研发新的工具以期实现对微纳尺度材料的可控制备,高通量观测、操控和定量测量。双束聚焦离子束技术不仅因具有纳米级的空间分辨率而具备对微纳尺度材料的高质量成像和动态监测,而且具备纳米分辨率的定点刻蚀、诱导沉积等功能。因此,双束聚焦离子束成为研究微纳尺度材料力学性能的有力工具。综述了近年来聚焦离子束技术在微纳尺度材料类力学性能研究中的应用,并讨论了其局限性和发展趋势。