一种表征纳米结构材料表/界面效应的新理论及其应用

纳米结构材料由于具有较大的比表面积，其力学性能显现出明显的尺寸相关性，即纳米结构材料的表/界面效应。已有表/界面效应的理论模型几乎都引入表/界面弹性常数，该参量的确定给理论应用带来一定的困难。本项目的主要研究内容：(1) 建立一种表征纳米结构材料表/界面效应的新理论；（2）分析不同类型纳米结构材料力学性能的表面效应；（3）分析纳米相增强复合材料力学性能的界面效应;(4) 揭示纳米结构材料表/界面效应引起材料软化或硬化行为的物理机制。项目取得的重要结果包括：（1）给出表面原子与体原子晶格失配、外载荷作用以及表面原子不饱和配位对表面能密度的影响，建立表面效应引起的额外面力与表面能密度的关系，结合体平衡方程，提出一种新表面效应弹性理论；（2）基于界面自由能密度的概念，建立了界面能密度和界面处应力跳变的解析关系，界面能密度表示为晶格弛豫变形、失配变形和外载应变的函数，避免了界面弹性常数的引入，提出了一种共格界面效应的新弹性理论；（3）基于提出的表面效应弹性理论，分析多个纳米结构材料及纳米元件中表面效应对其材料力学性能的影响，包括纳米线和纳米膜的弹性模量、固有振动频率等物理量的尺寸相关性，纳米颗粒的径向收缩、纳尺度表面接触问题、锂电池电极的应力分析等典型问题。（4）基于新的界面效应弹性理论，结合细观力学方法，得到了纳米颗粒增强复合材料等效体积和剪切模量的封闭解形式，进一步预测了纳米复合材料弹性性能的尺寸效应，并发现纳米复合材料的硬化行为是界面形成过程中表面弛豫和晶格失配共同作用的结果；（5）揭示了表/界面性质对纳米材料力学性能影响的物理本质，澄清了不同纳米结构材料中表/界面效应引起软化和硬化的本质。新的表面及界面效应理论可为纳米结构材料设计和应用提供更方便可行的理论指导。 2100433B

纳米结构材料由于具有较大的比表面积，其力学性能显现出明显的尺寸相关性，即纳米结构材料的表/界面效应。已有表/界面效应的理论模型几乎都引入表/界面弹性常数，该参量的确定给理论应用带来一定的困难。本项目主旨是发展一种有效的理论模型，避免表/界面弹性模量的引入。首先，考虑表面原子与体原子晶格失配、外载荷作用以及表面原子不饱和配位对表/界面能密度的影响，建立表/界面效应引起的额外面力与表/界面能密度的关系。结合体平衡方程，形成一种刻画表/界面效应的新理论模型。其次，应用新理论模型分析不同种类纳米结构材料，包括纳米线、纳米膜、纳米颗粒、纳米复合材料等，系统研究表/界面效应对纳米结构材料力学行为影响。最后，系统开展同种材料制备纳米悬臂梁及固支梁微弯曲实验，测量并分析纳米梁等效弹性模量，揭示表/界面效应引起纳米结构材料软、硬化现象的物理本质。新的模型可为纳米结构材料设计和应用提供更方便可行的理论指导。

该书系统介绍了氧化铁纳米材料的应用领域、制备方法、特性与表征、一般毒性、致突变性、代谢动力学、细胞毒理学、毒性解决方案、总结与展望等方面的内容。应用部分主要介绍了氧化铁纳米材料在磁共振成像检测、基因工程、肿瘤热疗、涂料等领域的应用#制备部分介绍了物理、化学以及生物等几种常规制备方法；特性与表征部分介绍了氧化铁纳米材料的电磁性能、力学性能、热学性能、光学性能、XRD表征、透射电镜及光谱分析、扫描电镜分析、团簇的扫描探针显微术、光谱学和磁共振表征等；在一般毒性方面，介绍了氧化铁纳米材料经不同途径（消化道、呼吸道、静脉等）染毒的急性毒性、亚急（慢）性毒性；在致突变性和毒代动力学方面，介绍了常规的致突变试验和毒物代谢动力学的结果以及离体细胞的毒性研究，并且介绍了降低氧化铁纳米材料毒性、提高其安全性的方案及其在体内和在环境中的降解和转归；最后对进一步的研究进行了客观的分析与展望。充分体现了氧化铁纳米材料研究“以人的健康为主，以环境为本”的理念。 本书可作为相关专业的大学生!研究生和教学科研人员的参考书，也可供生物医学工程、磁共振成像、肿瘤治疗、分析检测、纳米生产企业、政府管理部门、安全评估部门和预防医学技术人员阅读和参考。”