金属纳米颗粒间相互作用力.ppt

纳米颗粒间相互作用力,颜大学问| 指导老师: 武大先生 | 中北大学,NUC,课题陈述,当一束激光打在若干枚金属纳米颗粒上时，由于纳米颗粒具有极小的质量和极大的相对表面积，这样的性质必将导致其相互之间的作用力关系会非常的复杂，微妙。因此本文将利用物理学，电磁学，激光原理，电动力学等知识，结合当今科学界相关领域的研究成果，对纳米颗粒间的相互作用力进行有重点的分析和讨论。,金属纳米颗粒间存在哪些作用力？,光作用力 范德华力 热作用力 表面等离子体共振效应 静电库仑力,本文中用到的数据,激光的波长:我们选择氮分子激光器波长 金属纳米颗粒:选择金纳米颗粒半径10nm 激光功率10mW 高斯光束的束腰半径0.2,光作用力的讨论,正如本文绪论中讲的一样，本文研究的课题主要是在一束激光打在纳米颗粒上所产生的变化，那么此时纳米颗粒首先受到的力毫无疑问是光作用力。由于纳米颗粒的直径小于激光的波长，因此光作用力包括： 光压 光镊效应,关于光压,光的基本属性能量和动量 P=E/C 光与物质相互作用伴随着动量的交换, 从而表现为光对物体力的作用力（F=P/t ）。由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力，因而通常称之为辐射压力或简称光压。 N个光子打在平面上 产生的光压，根据公 式推出光压P为:,光镊效应,然而，我们此处的纳米颗粒半径小于激光波长，在这种情形下，光对物体也可产生拉力，即形成束缚粒子的势阱。 波动光学理论(也是光镊的基本理论) 认为,在光轴方向有一对作用力: 1.与入射光同向的散射力Fscat 2.与光强梯度同向的梯度力Fgrad。,光镊力的分析与仿真,下面我们来介绍一下这两种主要的力： 梯度力，它是由光束经过高数值孔径后产生的强斑形成的，这种梯度力的总是方向指向光强最大处，因此能够将粒子推向光强的中心； 散射力，它是由光与粒子作用时的反射、折射和吸收产生的，这种散射力的方向总是指向光束传播的方向。,光镊效应示意图,梯度力,根据偶极近似，梯度力可以表示为: 其中为 真空介电常数,a为金属粒子的极化率:,梯度力仿真,用MATLAB做梯度力的仿真 图中横轴表示纳米颗粒 与激光束中心的距离 纵轴表示颗粒受到的梯 度力,梯度力与光强的关系,梯度力与光强关系导出： 横坐标表示光强度 纵坐标表示梯度力,散射力,根据材料，散射力的近似为： 横坐标表示光强 纵坐标表示散射力,纳米颗粒的范德华力,纳米颗粒间距离不同，主要的相互作用力也不同，当距离在100纳米之内时，Van der waals力会变得明显。Vander waals力是分子间存在的一种相对较弱的吸引力，它不属于化学键，约比化学键能小12个数量级。范德华力由于其固有性而总是存在。范德华力使得细微颗粒与传统粗大颗粒(主要指颗粒粒径在 1mm 以上的颗粒问题）在颗粒的接触力学、碰撞力学、动力学行为以及宏观运动规律和现象等方面都存在显著差异。范德华力是影响颗粒与其它颗粒团聚、或者排斥,吸引的主要因素，对颗粒的接触后行为起主导作用。,范德华力的分析,CasimirPolder 电位 Casimir力是范德华力在微米级尺度的称呼，是典型的由电磁波动引起的机械力，它表示成键的电子云在外界电场的作用下，发生相对变化的程度 光诱导电位 原来指由于光的照射在植物细胞上产生的膜电位，此处指激光照射在纳米颗粒表面上产生的表面电位,CasimirPolder 电位,对角线上的斜线表示两粒直径为10nm的金纳米颗粒的Casimir-Polder势U(R),光诱导电位,光诱导势在两个直径为10nm金属纳米颗粒在535nm波长的入射光时的仿真,纳米颗粒的热泳运动,热泳现象是指在温度梯度不为0的气体中，粒子向较冷区域运动的现象。在多原子理想气体中，对于粒径小于气体分子平均自由程的球形粒子，热泳速度正比于温度梯度，而与粒径无关。对于较大的粒子，由于会在粒子内部建立温度梯度，计算较复杂。,纳米颗粒的表面等离子体共振效应,由于纳米颗粒表面存在自由振动的电子会与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波，这种电磁表面波被称为表面等离子体，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光子激发。在光照作用下，金属纳米颗粒表面的自由电子发生极化，在纳米颗粒内产生偶极子，这些偶极子随着电磁场的变化而集体振荡，在特定的波长产生强烈的表面等离子体共振吸收，从而改变纳米颗粒的活跃程度。,静电力是除了范德华力和流体力外最广泛存在的颗粒间（或颗粒-壁面间）作用力。由于摩擦的存在，一般来说颗粒都会带有一定的净电荷，中性颗粒（即不带电的颗粒）也可能被外电场极极化并进而被施以静电作用。 当金属受电磁干扰时，金属内部的电子密度分布会变得不均匀，从而产生库仑力相互影响,谢谢各位老师指导,