微機械動力學研究進展

王亞明 張敬洋

摘 要：作為納米科技的一個分支，微機械和分子器件的研究工作受到普遍關注。如何針對納機電系統（NEMS）器件建立科學適用的力學模型，成為解決納米尺度動力學問題的瓶頸。微機械是極其重要的一類NEMS器件，分為天然的與人工的兩類。人工分子機械是通過對原子的人為操縱，合成、制造出具有能量轉化機制或運動傳遞機制的納米級生物機械裝置。

關鍵詞：微型；機械；動力學；進展；

目前已經成功研制出多種微機械，如分子馬達、分子齒輪、分子軸承等。但在實現微機械工程化與規?；倪^程中，由于受理論研究水平的制約，微機械的研究工作受到進一步的制約。

一、國內外研究現狀

（一）力學模型

通過引入鍵長伸縮能、鍵角彎曲能、鍵的二面角扭轉能以及非鍵作用能等，形成機械的勢能面，使系統總勢能最小的構象即為分子機械的穩定構象。采用分子力學和分子動力學等方法，對分子機械的動態構象與運動規律進行計算。從理論上講，該模型可以獲得分子機械每個時刻精確的動力學性能，但計算工作量十分龐大，特別是當原子數目較大時，其計算工作量是無法承受的。第二類模型為連續介質力學模型。該模型將分子機械視為桁架結構，原子為桁架的節點，化學鍵為連接節點的桿件，然后采用結構力學中的有限元方法進行動力學分析。該模型雖然克服了第一類模型計算量龐大的缺陷，但無法描述各原子中電子的運動狀態，故沒有考慮分子機械的光、電驅動效應和量子力學特性，所以利用此模型難以對分子機械實施運動控制研究。

近年來，有學者提出將量子力學中的波函數、結構力學中的能量函數以及機構學中的運動副等理論結合，建立分子機械動力學分析的體鉸群模型。在該模型中，將分子機械中的驅動光子、電子、離子等直接作用的原子以及直接構成運動副的原子稱為體，聯接體的力場稱為鉸，具有確切構象的體鉸組合稱為群。

（二）研究現狀

1960年，美國科學家、諾貝爾獎獲得者RichardFEYNMA首次預言了利用生物化學方法合成分子機械并組裝分子工程系統的可能性。在此預言的感召下，許多科學家都致力于分子機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，以及測量技術的進步，為單個原子的移動以及原子運動位移和作用力的測試等提供了有力的工具，使分子機械得以迅猛發展。特別是1991年日本科學家SumioIIJIMA發明了碳納米管之后，基于碳納米管的分子器件不斷出現。作為分子機械發展的里程碑，1992年美國麻省理工學院KEDREXLER在他出版的《Nanosys-tems：MolecularMachinery，Manufacturing，andCom-putation》一書中，最先給出了分子機械嚴謹而科學的定義，并對分子機械的制造方法、分析技術和工程應用等進行了全面介紹，標志著新型交插學科———分子機械學的成立，并對典型分子器件構象進行了構思。

2001年，美國紐約大學的HaoYAN等在《自然》雜志上發表了他們的研究成果，用DNA分子成功合成了四沖程發動機，并對其進行了運動控制研究。這項研究成果使DNA結構控制技術在獨立單元操作上獲得重大進展，對進一步建立精密分子機器的分析模型具有很大的幫助。在此工作基礎上，加州大學科學家又對一種天然的分子機械進行人工重新設計，制造出了世界上最小的帶開關的馬達，該分子馬達由78個原子構成，尺寸只有14nm，這種分子馬達可用在電子電路中，也可用于精密的細胞手術，這項成果使得科學家朝制造可控的單分子機械裝置方面邁進了一大步。分子馬達的研制成功使納米技術研究提高到一個新水平。荷蘭和日本的科學家也研制成功了另一種由太陽能驅動的分子馬達，在光照作用下，能夠連續不斷旋轉。分子馬達不但能夠為未來的分子機械提供動力，而且還可以幫助人們更深入地了解一些具有相似結構的生命有機體，例如肌肉纖維及推動細菌運動的鞭毛。

近年來，為了進一步掌握分子機械的運動規律，基于分子機械的非線性力學特性和運動控制引起了科學家的極大關注。2000年德國學者AERBE等研究了納米振蕩器中的非線性特性，并利用了其振動特性，實現了機械混頻。

二、分子動力學在納米機械加工技術總的進展

美國與日本學者在常溫下運用分子動力學對單晶體進行垂直切削，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動速度上的變化，從而更好地研究切削現象。

（一）切削力在切削中的影響

通過勢能函數中參數的改變，分子動力學能夠通過模擬研究切削力的改變對切削效果的作用。研究表明，材料與刀具分子之間的結合力下降或是斥力的增加都能夠讓表面的粗糙程度加劇。

（二）切削溫度在切削中的影響

分子動力學要想模擬得更加精確，就需要充分考慮到切削時產生的溫度影響。在仿真模擬實驗中，分子的勢能向動能的轉變不是由人工來進行控制的，而是在達到已訂購條件后，分子自行轉變的。金屬的導熱率是由電子的運動強度決定的，所以切削溫度在切削中的影響研究可以通過對速度標度的方式來模擬。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

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（作者單位：山西農業大學信息學院）