【摘要】：隨著人們對(duì)自然的深入認(rèn)識(shí)以及科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,人類認(rèn)知世界的角度逐漸從宏觀層面轉(zhuǎn)向微觀層面。微納米材料和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的優(yōu)異性能得到了力學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。近年來微納米制造技術(shù)的發(fā)展,不同外場作用下微納米材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的研究變得更為緊迫。本論文以自然界中最為典型和重要的微米結(jié)構(gòu)—細(xì)胞膜,以及人工制造的最為典型的納米材料—碳納米管和石墨烯為研究對(duì)象,討論了細(xì)胞膜的形狀及其穩(wěn)定性,以及粘彈性石墨烯及碳納米管的波動(dòng)特性。全文的主要研究內(nèi)容如下:1.基于液晶力電耦合模型建立了交流電場作用下膜泡的形狀方程,討論了頻率、滲透壓和表面張力對(duì)膜泡形態(tài)演化的影響,澄清了膜泡的形態(tài)與頻率、滲透壓以及表面張力之間的關(guān)系;同時(shí),分析了雙凹形膜泡的電場奇異性,揭示了雙凹形膜泡電場奇異性的交流電場頻率相關(guān)性。此外,還研究了直流電場作用下含有蛋白質(zhì)交聯(lián)結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜的形態(tài)穩(wěn)定性,通過推導(dǎo)自由能的二階變分得到了細(xì)胞膜的臨界電場強(qiáng)度,討論了細(xì)胞半徑、膜內(nèi)外介電常數(shù)差、滲透壓和蛋白質(zhì)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)細(xì)胞膜臨界電場強(qiáng)度的影響,澄清了細(xì)胞膜的形態(tài)穩(wěn)定性條件與細(xì)胞半徑、膜內(nèi)外介電常數(shù)差、蛋白質(zhì)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的剛度和滲透壓之間的關(guān)系。2.基于非局部應(yīng)變梯度Timoshenko梁模型研究了粘彈性單層和雙層碳納米管中應(yīng)力波的傳播特性,討論了材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力波傳播特性的影響。研究結(jié)果表明:由于粘彈性的存在和碳納米管性能的尺寸相關(guān)性,碳納米管中應(yīng)力波的傳播存在臨界直徑。粘彈性系數(shù)、尺寸因子和范德華力對(duì)碳納米管中應(yīng)力波的臨界直徑有著顯著的影響。此外,基于非局部應(yīng)變梯度Mindlin板模型還研究了粘彈性單層石墨烯中應(yīng)力波的傳播特性,討論了粘彈性系數(shù)、尺寸效應(yīng)、磁場和彈性地基對(duì)石墨烯中膨脹波、彎曲波和剪切波傳播特性的影響。研究結(jié)果表明:粘彈性單層石墨烯中膨脹波、彎曲波和剪切波均會(huì)出現(xiàn)阻斷波數(shù)。膨脹波、彎曲波和剪切波的阻斷波數(shù)敏感于粘彈性系數(shù)、尺寸效應(yīng)以及磁場的變化。3.基于非局部應(yīng)變梯度Euler-Bernoulli梁模型,以物理中性軸作為參考面,建立了與溫度相關(guān)指數(shù)函數(shù)和S型函數(shù)功能梯度納米梁的非線性強(qiáng)迫振動(dòng)控制方程,通過多尺度方法得到了非線性強(qiáng)迫振動(dòng)的解析解,討論了由溫度差和梯度指數(shù)引起的中性軸的偏差、非線性彈性地基和尺寸效應(yīng)對(duì)納米梁非線性共振的影響。研究結(jié)果表明:如果忽略由于材料梯度分布引起的物理中性軸相對(duì)幾何中性軸的偏移,納米梁的共振加強(qiáng)行為會(huì)被低估。溫度差、尺寸效應(yīng)和非線性彈性地基的剛度對(duì)中性軸偏移引起的共振加強(qiáng)低估具有重要影響。
【圖文】：

細(xì)胞膜由脂類分子、蛋白質(zhì)和糖類等構(gòu)成，主要成分是蛋白質(zhì)和脂類分子。脂逡逑類分子主要指的是磷脂分子。磷脂分子是兩性的，分別是一個(gè)極性的親水端頭部和逡逑兩條疏水性尾部，如圖１－２所示［１２］。當(dāng)一些磷脂分子分散放置在水中時(shí)，親水端頭逡逑部親近水，兩條疏水性尾部遠(yuǎn)離水，從而自發(fā)形成一個(gè)閉合膜泡，如圖１－３所示［１３］。逡逑ＮＨ，逡逑ｒ逡逑—ｃＴ逡逑ｒ＿ｒ邋１邋Ｑ逡逑４邋＜邋Ｉ邋＞邋＜邐？逡逑Ｗ邐＜邐）逡逑＜邋＞逡逑Ｈ．＜邐／邋＼逡逑圖１－２磷脂分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)式和示意圖［１２］逡逑Ｆｉｇ邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｆｏｒｍｕｌａ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，邋ａｎｄ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐｈｏｓｐｈｏｌｉｐｉｄ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ＾１逡逑奢kx略逡逑圖１－３水溶液中磷脂雙層形成閉合膜泡［１３］逡逑Ｆｉｇ邋１－３邋Ｃｌｏｓｅｄ邋ｖｅｓｉｃｌｅ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｐｈｏｓｐｈｏｌｉｐｉｄ邋ｂｉｌａｙｅｒ邋ｉｎ邋ａｑｕｅｏｕｓ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ＾１３＾逡逑２逡逑

和Ｇｒｅｎｄｅｌ［１５］提出了類脂雙層膜模型。１９３５年，Ｄａｎｉｅｌｌｉ和Ｄａｖｓｏｎ［１６］提出了蛋白質(zhì)逡逑－脂分子雙層－蛋白質(zhì)夾板式模型，其后１９５９年，Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ［１７］對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步的逡逑完善。１９７２年，Ｓｉｎｇｅｒ和Ｎｉｃｏｌｓｏｎ［１８］提出了被廣為接受的流體鑲嵌模型，如圖１－４逡逑所示。在這個(gè)模型中，，細(xì)胞膜被認(rèn)為是脂類雙分子層。脂類分子可以像普通流體一逡逑樣在細(xì)胞膜上自由移動(dòng)。蛋白質(zhì)分子無規(guī)則地鑲嵌在磷脂雙分子層中。這些蛋白質(zhì)逡逑分子大致可以分成兩種，一種是跨膜蛋白（貫穿整個(gè)磷脂雙分子層）；另一種是鑲逡逑入蛋白（嵌入在磷脂雙分子層），它們對(duì)細(xì)胞膜實(shí)現(xiàn)其生物功能起著十分重要的作逡逑用。逡逑圖１－４細(xì)胞膜流體鑲嵌模型ＤＭ逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｆｌｕｉｄ邋ｍｏｓａｉｃ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｃｅｌｌ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ＾１逡逑彎電效應(yīng)是液晶的一個(gè)重要內(nèi)在屬性，對(duì)細(xì)胞膜的變形有重要的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)逡逑現(xiàn)彎電效應(yīng)不僅與細(xì)胞膜的曲率和極化有關(guān)，而且還和細(xì)胞系統(tǒng)的力傳導(dǎo)和力敏逡逑感性有關(guān)［１９＿２１］。圖１－５描述了由彎曲引起的生物膜的彎電效應(yīng)［２２］。Ｒｅｙ［２３］提出了一逡逑個(gè)液晶模型來研宄膜泡的形狀方程，考慮了彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓力、張力和彎電能等影逡逑響因素，但是忽略了電解質(zhì)的作用。Ｌｉｕ和Ｓｈａｒｍａ［２４］研宄了彎電效應(yīng)對(duì)磷脂雙分逡逑子層介電常數(shù)和彎曲剛度的影響
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.1

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本文編號(hào)：2630975