振动与纳米研究的双向发展

    1　问题的引出

    振动与颗粒学的交叉存在着广阔的发展空间,上至日月星辰,下至原子分子,无不以振动为其存在的基本形式;因此,振动既是基础研究,又是应用研究,它促进了当代高技术和国民经济的发展,具有广阔的发展前景[1]。20世纪80年代末在世界范围内兴起的纳米技术,为振动与颗粒学的交叉和发展注入了新的动力。

    作为一种能量,振动在纳米颗粒制备、机械合金化以及机械力化学等方面具有重要的应用前景。与传统的物理及化学方法相比,超微颗粒的振动制备成本低,效率高,不但可以制备纳米粉体,而且可以制备具有纳米晶的块体材料,还可以赋予颗粒特定的形状,并在室温下固相合成纳米晶合金或非晶合金。

    作为一种阻尼,纳米颗粒的纯塑性变形和断裂细化能够以不可逆的方式吸收振动能量,从而大大提高减振性能,为频率低、模态密集且难以建模的非线性系统的控制开辟了新途径。图1所示为振动能量、热能及化学能在纳米颗粒制备技术中各自的作用振动对另外两者施加的“偏压”从而控制其产物的作用,以及纳米材料对振动能量的吸收与控制。

    热能和化学能都可用于纳米颗粒制备,比如高温蒸发、化学气相沉积等,但这些过程不易控制,颗粒分散性差,杂质不易去除,生产过程可能产生“三废”,造成环境污染。纳米颗粒的振动制备投资少、能耗低、效率高,其过程易于控制。另外,基于振动能量的化学反应或热处理,通常可收到意外的成果。由图1可见,振动不但可改变颗粒的粒度和粒度分布、形态和形态分布、微结构和性质,并直接合成新材料,而且还可以控制化学反应的走向或者所需的加热温度,即可以给两者施加偏压,从而控制其反应产物及生成的最终产物的属性。

    D.Davis[2]等观察到了由超声波产生的拉应力激活聚合物共价键的现象,发现当在超声波作用下经历可逆的电环化开环反应时,材料的一些纳米尺度的基团会改变颜色。随着塑性变形的聚集,这种色变将进一步加强,证明了超声波转变为开环反应的过程是一种活化过程。共价键的力激活现象赋予了聚合物从探伤到完全再生的自愈合功能。CharlesR.Hickenboth等[3]的研究证明,超声波能够引发、改变或者偏置化学反应的方向。当把聚合物溶液置于超声波下时,一些纳米物质基团能够加速或偏置反应途径,从而得到通过其他激发方式(热激发或光激发)不能得到的产品。此外,超声波能够使化学反应得到能量释放最好的产品,而且可以直接改变分子的势能面。

    与超声驱动[4]相仿,王中林等[5]发明了纳米发电机,其原始模型为超声波驱动纳米线阵列发电,如图2所示。模型上部极板为表面镀铂的锯齿状硅板,中部为氧化锌纳米线阵列,底部为导电电极。当受到超声波作用时,上部极板将对纳米线阵列产生周期性冲击作用。如果极板锯齿与纳米线的拉伸面接触,则产生正的压电电势,Pt-ZnO界面就形成一种反向的Schottky偏压,电流从ZnO流向Pt,形成充电过程。随着极板的下压,纳米线将接触到极板锯齿的另一侧,使电极与纳米线的压缩面接触,此时,金属-半体界面就形成了一种正向的Schottky偏压,电流从顶部电极Pt流向ZnO纳米线,并突然增大,形成放电过程。这种充放电过程在41kHz超声波作用下反复进行,即可给外部负载供电。