软物质力学行为的研究
软物质力学特性的研究与应用
软物质力学特性的研究与应用近年来,随着科学技术的不断发展,软物质力学特性的研究日益引起人们的关注。
软物质是指其主要组成成分为高分子聚合物或胶体颗粒等,具有较强的柔性和可塑性特征的物质。
由于其特殊的力学性质,软物质在许多领域都得到了广泛应用,例如生物医学、机械制造和纳米材料等。
首先,对软物质力学特性的深入研究有助于理解和模拟生物体。
人类身体中大量的组织和器官都属于软物质,如肌肉、皮肤和血管等。
了解这些软物质的力学性质,对于理解生物体的运动和变形具有重要意义。
通过模拟软物质的性能,可以更好地研究细胞力学、动力学以及生物力学等问题,为生物医学研究提供理论依据。
其次,软物质力学特性的研究对材料科学和工程领域的发展也具有重要意义。
材料科学的目标是开发新型材料以满足不同领域的需求,而软物质作为一种全新的材料,具有独特的表面性质和机械性能,成为制造先进材料的理想选择。
通过研究软物质的力学特性,可以为新材料的开发和改良提供重要的信息。
此外,软物质力学的研究也有助于探索纳米尺度下的力学现象,为纳米材料的设计和制备提供指导。
此外,软物质力学特性的研究还可以促进智能材料和可编程材料的发展。
随着高科技的不断进步,人们对材料的要求也日益提高。
智能材料是一种能够根据环境变化改变其自身力学特性的材料,其应用潜力巨大。
软物质力学的研究有助于揭示智能材料的机理,并为智能材料的设计和合成提供理论基础。
同时,软物质力学对可编程材料的研究也非常关键。
可编程材料是指能够通过外界刺激改变其形态和力学特性的材料,可广泛应用于传感器、机器人和人工智能等领域。
通过研究软物质的力学性质,可以为可编程材料的设计和控制提供新思路。
然而,软物质力学特性的研究与应用仍然面临一些挑战。
首先,软物质的具体力学特性往往受到多种因素的影响,如化学组成、结构形态和温度等。
因此,如何从复杂的实际情况中提取出有效的力学特性参数仍然是一个难题。
其次,软物质的力学行为常常呈现非线性和多尺度的特点,对于建立准确的力学模型也提出了挑战。
软物质物理学的研究及其应用前景
软物质物理学的研究及其应用前景软物质物理学是一门近年来兴起的交叉学科,它涉及到纳米到宏观尺度的物质,并突出了材料的柔软和可塑性。
软物质物理学主要研究软物质的物理特性,以及这些特性是如何决定这些物质集体表现出来的。
软物质物理学的研究涉及到许多复杂的物理现象,如流体动力学、热力学、物理化学、生物物理学等。
本文将介绍软物质物理学的研究领域和其应用前景。
软物质物理学的研究领域软物质物理学的研究范围主要涉及到以下几个方面:1.胶体物理学:胶体是由一种或多种物质所构成的、尺寸在纳米到微米级别、呈乳状或胶状态的物质。
胶体物理学研究涂料、颜料、液晶显示器、高分子材料等的性质以及制造。
2.高分子物理学:高分子是指由大量单体组成的聚合物,其中包括大量的合成高分子和天然高分子。
高分子物理学研究高分子的结构、性质、制备技术以及其热、力、光等对材料性能的影响。
3.软凝聚态物理学:软凝聚态物理学研究生物大分子、胶体、高分子等非晶态物质在软物质尺度下的状态。
该领域涉及到许多软物质的特性,如自组装、结晶、流变、输运、动力学过程等。
4.自组装物理学:自组装物理学研究分子和纳米颗粒的自组装和有序组装。
自组装可以控制物质自组,形成特定的结构和功能,并被广泛应用于纳米科技、条形码技术、传感器等领域。
5.生物物理学:生物物理学研究生命体系中的物理学问题,例如生物大分子的结构、功能、交互作用等。
软物质物理学的应用前景软物质物理学的研究与应用将为人类现代科学技术和工程学领域带来突破性的进展,主要有以下几个方面:1. 纳米加工领域:软材料在微纳加工领域中具有重要应用,如纳米制造、纳米生物医学、银基纳米材料等。
这些应用需要软物质物理学的理论和制备技术。
2. 生物医学领域:软物质物理学的研究及应用可以应用于药物递送、生物成像、仿生材料、医用纤维素材料等领域。
这些领域需要开发出稳定的、高效的、生物兼容性的软材料。
3. 工程技术领域:软物质物理学的研究及应用可以推动一个新的工程技术领域,例如光电、光子、光学通信等领域。
软物质的相互作用与力学性能
软物质的相互作用与力学性能咱们在日常生活中,常常会接触到各种各样的软物质,像果冻、牙膏、胶水这些东西。
可您有没有想过,它们为啥会有那样独特的性质呢?这就得从软物质的相互作用和力学性能说起啦。
我记得有一次,我在家做手工,想用胶水把两块木板粘在一起。
我拿起胶水,挤了一些在木板的接口处,然后使劲儿把它们压在一起。
等了好一会儿,胶水干了,两块木板牢牢地粘在了一起。
这时候我就开始琢磨,这普普通通的胶水,怎么就能有这么大的“魔力”,能让两块木板紧紧相依呢?其实啊,软物质内部的相互作用可有着大学问。
就拿胶水来说,它里面的分子之间有着各种各样的吸引力和排斥力。
这些力相互作用,让胶水在液体状态下能够流动,容易涂抹,而一旦涂到物体表面,经过一段时间,分子之间的相互作用增强,胶水就会固化,实现黏合的作用。
再比如说,我们常吃的果冻。
果冻那 Q 弹的口感,也是因为软物质的特殊相互作用和力学性能。
果冻里面的大分子形成了一种网络结构,这种结构既能让果冻保持一定的形状,又能在受到外力挤压时发生变形,然后再恢复原状。
像洗发水、沐浴露这类东西,也是软物质的典型代表。
您在挤压瓶子的时候,它们很容易流出来,这是因为它们内部的分子相互作用相对较弱。
但是当您把它们涂抹在头发或者身体上,又能起到清洁和滋润的作用,这是因为它们能够与污垢或者皮肤表面发生特定的相互作用。
软物质的力学性能也是非常有趣的。
比如说,橡皮泥可以被我们随意地揉捏成各种形状,这是因为它在受力时能够发生很大的形变,而且这种形变是可逆的。
而像面团,在揉面的过程中,它的性质会逐渐改变,从一开始的松散变得有韧性,这也是因为其中的分子结构和相互作用在不断变化。
还有那柔软的橡胶,我们用它制作轮胎、橡皮等物品。
橡胶能够承受很大的拉力和压力,并且在力消失后能够恢复原状,这都要归功于它特殊的分子结构和相互作用。
在科学研究中,对于软物质的相互作用和力学性能的研究可是非常重要的。
科学家们通过各种先进的技术和实验方法,试图揭示软物质背后的奥秘。
软物质动力学的研究及其应用前景
软物质动力学的研究及其应用前景软物质动力学是一门涉及自组装、流变学、时间演化等多个领域的新兴交叉科学。
它主要研究软物质系统的基本性质,如形态、结构、动力学等,包括液晶、胶体、膜、泡沫等软物质,以及生物大分子等大分子软物质。
其研究热点涵盖了物质的自组织、功能材料、软物质生物学、介观物理学、生物膜与细胞行为等领域,具有丰富的科学价值和广阔的应用前景。
一、软物质动力学在自组装领域的研究自组装是指无机或有机引发自发形成一些规则有序的结构,其形成过程涉及热力学力学、界面化学、分子间相互作用等因素。
软物质在自组装领域具有重要应用价值,如胶体颗粒、液晶分子、生物大分子等,能够形成多种自组装结构。
软物质动力学的研究,对于揭示自组装结构的形成机制、调控自组装过程、设计新的自组装结构等都有着重要意义。
例如,液晶分子作为一种自组装体系,其在外加场作用下可以形成各种有序结构,如液晶相、胆诺相等,这些结构性质不仅会影响材料的物理性质,还能够应用于显示、电子、光电等领域。
软物质动力学的研究能够揭示液晶结构形成的动力学规律和相变过程,为设计制备新的液晶材料提供了理论基础。
二、软物质动力学在时间演化领域的研究时间演化是指物质在时间上的演化过程,其涉及到物质结构的变化、宏微观性质的演化等。
软物质动力学的研究能够揭示物质的时间演化规律,深入了解物质的微观机制,拓展物质的应用前景。
例如,生物大分子具有很强的时间演化性质,如蛋白质的折叠、DNA的超螺旋等,这些时间演化过程深刻影响生命的本质和机制。
软物质动力学的研究能够帮助深入了解这些时间演化过程的机理,为药物设计、疾病治疗等提供理论支持。
三、软物质动力学在生物膜领域的研究生物膜作为生命体系的重要组成部分,其在分离、传输、代谢等方面具有重要意义。
生物膜由许多的脂类分子组成,其结构和动力学特性极其复杂。
软物质动力学研究生物膜的形成以及膜上的动力学现象,能够揭示生物膜的结构与功能关系,不仅对解决医学、生物技术和生物环境方面的问题具有特殊的应用价值,而且进一步推动了软物质动力学研究的发展。
软物质的组装结构与力学特性的探究
软物质的组装结构与力学特性的探究在我们的日常生活中,软物质无处不在。
比如果冻、泡沫、海绵等材料,它们的柔软度和弹性,使得它们常常被用于缓解压力、保护物品等等。
这些软物质的特点是由它们的组装结构和力学特性决定的。
因此,探究软物质的组装结构和力学特性具有重要的科学意义和应用价值。
软物质的组装结构软物质是一种由大量分子和/或纳米粒子组成的物质,在其中,大分子被缠绕在一起形成了非常松散的网络结构。
这种松散的网络结构具有很多不同的组装方式,其中最常见的是物理缠绕和化学交联。
物理缠绕是指大分子在无化学反应的情况下,仅靠分子间的物理学相互作用形成的网络结构。
化学交联是指通过化学反应,使得大分子之间的结合更加牢固。
在这两种组装方式中,物理缠绕最容易形成。
因为当大分子的浓度很高时,它们很容易相互作用并形成交替缠绕的网络结构。
换句话说,当溶液中大分子的浓度越高,从而分子之间的距离越短时,这种缠绕就会越容易形成。
而在化学交联的情况下,需要使用化学反应活化分子之间的键结构,因此需要更多的操作和条件限制,以及更高的系统能量。
不同的组装方式决定了软质物质的特点。
比如物理缠绕组装的软物质,它的松散结构使得它具有很好的弹性和变形性。
而化学交联组装的软物质,则由于分子之间的键结构得到了加强,因此更加坚硬和稳定。
软物质的力学特性软物质的力学特性是由其分子和/或纳米粒子的结构和组装方式决定的。
其中最常见的两种特性是弹性和黏性。
弹性是指当物质受到外部力作用时,可以发生变形,但是在外力消失之后可以恢复原状的特性。
这种特性是由于物质内部的分子间相互作用,使得分子彼此相互靠近并产生相互作用力。
当外部力作用于物质上时,分子之间的相互作用力就会改变,并顺应着外部力的作用方向,形成物质的变形。
当外部力消失时,分子之间的相互作用力又会恢复原状,并使物质重新回到初始状态。
因此,弹性是物质内部结构和相互作用力的综合表现。
黏性则是指当物质受到外部力作用时,在变形的时候表现出相对的稳定性。
软物质的力学性能与调控研究
软物质的力学性能与调控研究软物质,这听起来是不是有点陌生又有点神秘?别急,让我来给您好好说道说道软物质的力学性能与调控研究。
您知道吗?我们生活中到处都有软物质的身影。
比如说,我们每天都离不开的牙膏。
当您把牙膏从管里挤出来的时候,您有没有想过,它为什么能乖乖地被挤出来,而且形状还能随意变化?这就是软物质力学性能的一种体现。
再比如说,孩子们喜欢玩的史莱姆水晶泥。
那软软的、Q 弹的质感,能被拉伸、挤压成各种形状。
您要是把它放在桌子上不管,它会慢慢地摊开。
这也是软物质独特的力学表现。
那软物质的力学性能到底是啥呢?简单来说,就是软物质在受到外力作用时所表现出的各种特性。
比如说,它们可能会变形、流动、甚至断裂。
但和那些硬邦邦的金属、石头可不一样,软物质的变形和流动往往更加复杂和有趣。
就拿我们常见的果冻来说吧。
您用勺子轻轻一压,它就会凹下去一块,可您要是拿开勺子,它又会慢慢地恢复原状。
这是因为果冻内部有一种特殊的结构,能够让它在受到外力时储存和释放能量,从而表现出这种弹性。
还有那面糊,您搅拌面糊的时候,能感觉到它的阻力。
而且,如果您搅拌得太快太用力,面糊还可能会溅出来。
这是因为面糊的黏性在起作用,它让面糊在流动的过程中产生了阻力。
软物质的力学性能可不是一成不变的,是可以调控的哦!这就像是给软物质来了一场“变形记”。
比如说,我们可以通过改变温度来调控软物质的力学性能。
像巧克力,在常温下它是固体,咬一口嘎嘣脆。
但把它放在手里捂一会儿,温度升高了,它就会变软,甚至能融化成液体。
这就是温度对软物质力学性能的神奇调控。
再比如,我们改变软物质的成分比例。
就像做蛋糕时,面粉、鸡蛋、糖和油的比例不同,做出来的蛋糕口感也会不一样。
软物质也是这样,成分比例一变,它的力学性能也会跟着变。
还有啊,我们可以通过添加一些特殊的物质来调控软物质的力学性能。
比如说,在橡胶里加入炭黑,就能让橡胶变得更耐磨、更有弹性。
科学家们一直在努力研究软物质的力学性能与调控,这可不仅仅是为了满足我们的好奇心。
软物质物理的基本原理与应用探究
软物质物理的基本原理与应用探究软物质物理是一门非常有意思的学科,它研究的是一些软的、可变形的材料的物理性质以及它们的应用。
软物质包括有胶体、液晶、生物材料、柔性电子器件等等,这些材料的物理性质常常受到温度、压强、电场等外部作用力的影响,因此软物质物理的研究涉及到热力学、动力学、电学等多个方面。
一、胶体物理胶体指的是粒径在1纳米到1微米之间的系统,它们由分散相和连续相两部分组成。
在分散相中,颗粒分布在连续相中,形成了一个无序的、三维的网络结构。
在胶体物理的研究中,我们通常关注的是单个粒子的运动行为、胶体粘弹性以及相互作用力等问题。
离子液体-胶体复合物是一个很好的例子。
离子液体是一种带电离的液体,它可以被用来调节电化学反应、温度、离子大小等多个外部参数来控制胶体的聚集行为,从而实现胶体粘弹性、聚集态和流变性质的调控。
二、液晶物理液晶是一种在聚集行为中表现出有序性的软物质系统。
液晶可以是一个由单一有机分子,在足够高的浓度下形成的胆甾类液晶。
也可以是其它基于水,离子液体等的复杂液晶体系。
液晶的一个显著特征就是在不同的方向上存在有序性。
当外部条件发生变化时,液晶的有序性质就会发生变化,导致各种有趣的物理现象的出现。
液晶相变的研究可以用来制备高清晰度显示屏等新型显示技术。
液晶材料通过施加电场、温度等多种外部条件来实现对液晶相的调节,从而控制液晶分子的有序排列,具有极高的技术、经济和社会价值。
三、生物软物质物理生物软物质物理研究中,主要关注的是诸如细胞、生物高分子等体系的行为性质。
这些系统中通常会展现出复杂的物理性质,需要用到热力学、动力学、力学等多个物理学工具来解释和描述。
软物质物理在生物领域的应用包括但不限于制造新型药物、设计生物传感器、开发自适应材料对复杂疾病的治疗等方面。
例如,纳米粒子胶体可以作为药物载体,实现对癌细胞靶向释放。
四、柔性电子器件柔性电子器件是一种新型电子设备,可以自由弯曲和卷曲,其可弯曲和可拉伸特性是基于软物质和柔性电子材料的物理性质所具备的。
软物质物理学的研究与应用
软物质物理学的研究与应用软物质物理学是指对具有柔性、可变形性,以及复杂的组成和功能的材料的研究。
这些材料包括液晶、高分子材料、胶体、生物大分子、软玻璃和软介质等等。
软物质物理学的发展,不仅在人们的日常生活中产生了广泛的应用,也在医学、环境和材料科学中发挥重要作用。
1.软物质物理学的研究软物质物理学的研究范围非常广泛,涉及到许多物理学领域,如统计物理学、流体力学、化学物理学、生物物理学等等。
其中,液晶和高分子的研究受到关注较多。
液晶是一种介于晶体和液体之间的材料,具有比普通液体更有序的分子排列。
液晶的物理性质随着结构的改变而发生变化。
液晶在电子产品中的广泛应用,如液晶显示器、电子书和计算机屏幕等着,使得其研究和应用具有重要意义。
高分子材料是由单体通过共价键连接形成的大分子。
高分子的研究涉及到物理性质、化学性质、材料工程等多个方面。
在纳米科技中,高分子材料是一种有潜力的材料,可以用于制备纳米粒子、纳米管、纳米结构和超分子等。
2.软物质物理学在医学中的应用软物质物理学在医学中的应用非常广泛,如药物运输、组织工程、生物传感器等。
软物质物理学已经被证明在微流体技术中发挥了重要作用。
药物运输可以通过软物质物理学进行微观分析和设计。
利用高分子材料和纳米材料,可以设计和制备各种控释、靶向药物和治疗剂。
这项技术可以控制药物的释放速度和流量,使药物能够更加准确地到达治疗部位。
组织工程是一种将人工材料应用于组织再生和修复的方法。
软物质物理学在组织工程中的应用,旨在设计和制备材料,如细胞载体、生物纳米纤维和细胞诱导材料等。
这些材料可以作为新型组织修复和再生材料。
生物传感器是一种监测生物分子及其功能的方法。
软物质物理学在生物传感器中的应用有两个方面。
首先,可以制造纳米和微米尺度的生物传感器。
其次,可以利用胶体、液晶等材料的特性,设计和制造高灵敏、高分辨率的生物传感器。
3.软物质物理学在环境科学中的应用软物质物理学在环境科学领域中具有重要应用。
软物质的力学行为
软物质的力学行为陈文南京市,西康路#1, 河海大学,工程力学系 邮编:210098(chenwen@)软物质(又被称为“复杂流体”)是介于理想固体和流体之间的复杂状态物质,如生命物质、聚合物、液晶、土壤、胶体、薄膜、颗粒物质、层状岩石、泡沫、发泡金属材料、纺织物、石油等。
软物质的一个特征是外界(包括温度和外力等) 微小作用会产生显著的宏观效果,所谓小的影响大的效果是软物质的一个基本特征。
例如,软黏土具备软物质的这个特征,以往的研究把硬物质(理想固体)的一些力学行为套用在软黏土上,但由于软黏土自身的特点,导致这种“套用”不能够在实际应用中得到理想的结果。
一般而言,同理想固体和流体相比,软物质的力学行为复杂“反常”,有关的理论、计算和实验研究都还不成熟。
国内外力学界目前对软物质的研究也依然较薄弱,已有的工作还主要处于实验规律的积累阶段,且分散在多个不同的学科,缺乏跨学科研究。
软物质大多由大分子或基团组成,经常是多相(固、液、气)介质,其物理力学行为比普通固体、液体和气体要复杂的多,难以用一般的微分方程力学建模方法和统计方法来描述1。
软物质力学行为的研究有广泛的科学意义和工程应用价值。
例如,超声波在各种软物质中传播的能量耗散、建筑物防震的软物质隔震阻尼器的耗散、地震勘探中地震波在多孔岩层和石油中传播的耗散、高速铁轨地基的振动和噪声;各种生物力学问题,纺织软物质的热传导和扩散行为;液晶、胶体、薄膜、泡沫、发泡金属材料等新材料的力学性质;结构安全工程中软物质吸能材料对爆炸、冲击和振动能量的吸收;土体本构关系与软土流变、泥石流、混凝土凝固前的温度和应力应变场、土石坝应力变形分析等问题。
“软物质的力学行为”目前国际上正逐渐成为热门的研究课题。
本文对该领域的现状和发展趋势进行系统综述,指出关键问题和可能的解决途径;具体而言,重点讨论以下几个方面的问题:z软物质的各类“反常”力学行为及其共性特征;z软物质力学行为的建模方法(分数阶导数和豪斯道夫导数的微分方程建模方法;Levy统计、分数阶布朗运动、nonextensive Tsallis熵等统计建模方法);z分数阶时间导数力学模型方程的数值计算问题。
软物质中的动力学行为研究
软物质中的动力学行为研究软物质一直是材料科学的一个重要研究领域,它指的是那些结构松散,自由度高,形成的材料或薄膜。
软物质主要由一些高分子聚合物或其他材料组成,这些材料在不同的环境下会呈现出非常不同的动力学行为。
软物质的研究对我们理解和设计新材料非常重要,因为它们可以应用于人工刺激响应的系统和智能材料,也可以应用于纳米机械和微流控系统中。
那么,软物质中的动力学行为究竟是什么呢?首先,软物质通常是由许多小分子或单元组成的,这些单元之间通过分子间相互作用相互作用,并在不同的环境下呈现出各种各样的行为模式。
硬质物质在变形时会出现断裂和破碎的现象,而软物质则可以流动和变形,因此它们更容易受到物理变化和力学变化的影响。
软物质的动力学行为显著地影响材料的性能和结构,而且它们通常是非线性和多尺度的。
非线性意味着随着外界物理条件的改变,系统响应的形式和强度可能会发生显著的变化。
多尺度意味着微观结构和大尺度形态的变化对整个系统的性质都有影响。
因此,了解和控制这种非线性和多尺度变化是软物质研究的关键。
下面,我们将分别从不同角度探讨软物质中的动力学行为:从慢到快、从小到大。
1.慢动力学在软物质中,缓慢的动力学行为主要来自热涨落,这是因为分子在某些情况下的热运动会使得整个材料或系统随时间漂移、膨胀或收缩,甚至会发生断裂或失稳。
因此,许多研究重点关注了软物质中长时间尺度上的热涨落现象,这种现象对材料的结构、性质和响应都具有重要的影响。
例如,人们可以研究高分子聚合物的结构和形态变化来揭示软物质的热动力学行为。
此外,科学家们利用X射线和中子散射等技术来直接探测这些现象,从而更好地理解软物质行为的基本机制。
2.中等动力学随着时间尺度的减小,软物质会呈现出一些中等时间尺度的动力学行为,例如液态的粘滞性、蠕动和流动性。
这种中等动力学行为可以通过研究软物质中的等温程序来探索,这些过程有一个稳定的温度和压力,这种等温过程在一定程度上可以消除热涨落的影响,从而更好地理解材料的中等时间尺度行为。
软物质动力学的研究与应用
软物质动力学的研究与应用随着科技的不断进步和人类的探索,我们对于物质的认知和理解越来越深入。
从最一开始的原子、分子,到后来的生物大分子,再到今天的超分子组装等,物质的形态也在不断发展着。
而软物质动力学作为近年来不断发展的一门物理学科,更是成为了研究物质的一个重要角度。
一、软物质动力学的定义及背景软物质动力学是研究柔性物质在力学和动力学方面的特性的一门科学。
和传统粒子力学不同的是——生物软物质是由许多微观的细胞、细胞器、大分子等构成,内部会耗散的转化能量并不会像传统的热运动一样不发生重合影响而是会在某些时候相互作用。
因此,研究微观结构,反映如何动力学的研究便成为了软物质动力学这个科学门类的主要内容。
“软物质动力学”这个词语最初出现在2000年,是由纽约大学物理学家和纪念斯隆博士研究奖获得者 Denis Andrienko 和 Ivan T. Ivanov创造的。
但是早在20世纪50年代,自组装现象在动物细胞膜研究中已被证实,并且为人们所熟知。
二、软物质动力学的应用在实际应用中,软物质动力学的研究范围非常广阔,包括生物学、化学、物理学等多个学科。
在化学领域,软物质的研究涉及诸如胶体、表面改性剂和嵌段共聚物等化学领域的材料学。
而在生物领域中,软物质动力学主要研究生物分子、蛋白质、细胞、组织等等可变形的物质。
例如,通过研究生物高分子,我们可以揭示其内部结构和分子运动的规律,并探究高分子复杂的自组装现象。
这种技术可以应用于构建更具有人工智能的生物材料,甚至用于伪造生物分子数据的技术等方面。
在生物医学和医学影像学领域,软物质动力学也有很多应用,例如模拟肿瘤生长和分裂过程,以便更好的了解细胞的内部组织构造和相关疾病。
除此之外,软物质动力学还可以用于工程学科中的研究。
例如,在微型芯片和电子器件的制造过程中,软物质动力学可以用于设计和优化混合物的流动及稳定性,从而制造出更适合特定应用的微型芯片和电子器件。
还有类似可以制定各种基本材料的种类、形态、合成和特征等应用。
软物质的界面力学特性探讨
软物质的界面力学特性探讨咱先来说说啥是软物质哈。
就比如说,咱们常见的牙膏、胶水,还有那黏糊糊的果冻,这些都是软物质。
你可别小瞧它们,这里头的学问可大着呢!记得有一次,我在家做手工,用到了胶水。
那胶水一开始黏糊糊的,我不小心弄在手上,怎么甩都甩不掉。
这时候我就在想,这胶水为啥能这么黏?这不就是软物质的界面力学特性在起作用嘛!软物质的界面力学特性,简单来说,就是它们在接触不同物质的表面时所表现出来的各种奇特的力学行为。
比如说,乳液这种软物质,它是由小液滴分散在另一种液体中形成的。
那这些小液滴和周围液体之间的界面,就有着很有趣的力学性质。
咱们拿洗发水来举个例子。
洗发水在瓶子里的时候,看起来很平静,可当你把它倒出来,用手揉搓的时候,就能感觉到那种滑滑的、有弹性的感觉。
这是因为洗发水里面的各种成分,在界面上相互作用,产生了特殊的力学效果。
再比如说,巧克力在融化的时候。
大家都知道巧克力常温下是固体,可一旦加热,它就会变成软软的液体。
在这个从固体到液体的转变过程中,巧克力和外界环境的接触面,其力学特性也在不断变化。
还有那冰淇淋,在外面放久了会融化。
融化的过程中,它的表面会变得越来越软,甚至会流下来。
这也是软物质界面力学特性的一种表现。
软物质的界面力学特性还和很多实际应用有关呢。
比如在生物医药领域,药物的传递和释放就和软物质的界面力学特性密切相关。
药物要准确地到达病变部位,并且在合适的时候释放出来,就得依靠对软物质界面力学特性的精准控制。
在材料科学中,研发新型的柔性材料,像是可穿戴设备里用的那种,也得深入研究软物质的界面力学特性。
这样才能让这些材料既舒适又耐用。
总之,软物质的界面力学特性虽然看不见摸不着,但却实实在在地影响着我们的生活。
从日常的食品到高科技的医疗和材料,到处都有它的身影。
就像我那次被胶水黏住的经历,虽然有点小烦恼,但也让我对软物质的神奇之处有了更深刻的认识。
以后啊,咱们在生活中多留意这些小小的细节,说不定就能发现更多关于软物质界面力学特性的有趣之处呢!。
软物质的动态力学行为研究
软物质的动态力学行为研究软物质这玩意儿,听起来好像挺玄乎,但其实在咱们生活里到处都是。
比如说,牙膏、洗发水、果冻,甚至是咱们身体里的血液和细胞,都属于软物质。
先来说说牙膏吧。
每天早上咱们挤牙膏的时候,是不是感觉它既不像石头那样硬邦邦的,也不像水那样稀里哗啦流得到处都是?这就是软物质的特点之一。
当我们用力挤牙膏管时,牙膏很容易就被挤出来,而且形状还能随意改变。
这是因为牙膏里面的成分相互作用,形成了一种特殊的结构,使得它能够在一定的外力作用下表现出特定的动态力学行为。
再看看洗发水。
当我们把洗发水倒在手上揉搓的时候,它会产生丰富的泡沫。
这泡沫的形成和变化,其实也和软物质的动态力学行为有关。
洗发水在受到我们揉搓的力时,里面的分子和粒子会重新排列和运动,从而产生了泡沫,并且泡沫的大小、稳定性都会随着我们揉搓的力度和时间而改变。
果冻也是个很典型的例子。
小朋友们都喜欢吃果冻,那 Q 弹的口感,简直让人欲罢不能。
你有没有想过,为什么果冻能有这样的口感呢?这是因为果冻中的胶质成分在一定条件下形成了一种既有弹性又有粘性的结构。
当我们用勺子挖果冻的时候,它会稍微抵抗一下勺子的压力,然后被挖起来,还会有一点点的变形。
咱们身体里的血液其实也是一种软物质。
血液在血管里流动的时候,会受到心脏跳动产生的压力,血管壁的摩擦力等等。
这些力会影响血液中细胞和血浆的运动,从而保证血液能够正常地为我们的身体各个部位输送养分和氧气。
软物质的动态力学行为研究,可不仅仅是为了满足咱们的好奇心。
比如说,在制药领域,了解药物载体的软物质特性,就能让药物更有效地到达病灶部位;在食品工业中,掌握食品中软物质的动态力学行为,可以让食品的口感和品质更好。
我记得有一次,我在实验室里研究一种新型的软物质材料。
那是一种类似于胶水的东西,但又和普通的胶水不太一样。
为了观察它在不同条件下的动态力学行为,我可是费了好大的劲。
我不停地调整温度、压力、搅拌速度等等因素,眼睛紧紧地盯着仪器上的数据变化,手里还不停地记录着。
软物质科学软物质的结构与性能研究进展
软物质科学软物质的结构与性能研究进展软物质科学是一个新兴的交叉学科领域,涉及到材料科学、物理学、化学、生物学等多个学科的知识。
软物质是指在一定的外界刺激作用下,具有可逆变形和流体特性的材料,例如聚合物、胶体、液晶等。
在过去的几十年里,软物质科学取得了许多重要的研究进展,这些进展不仅推动了材料科学的发展,更深化了我们对物质行为的认识。
一、软物质的结构研究进展软物质的结构是其性能的基础,因此对软物质结构的研究一直是该领域的热点问题。
近年来,随着先进的实验技术和计算方法的发展,对软物质结构的研究取得了重要突破。
其中,聚合物的结构研究是软物质科学中的重要方向之一。
聚合物是软物质中最常见的一类材料,其结构对其性能有着重要影响。
研究人员通过实验和计算方法,不仅揭示了不同聚合物的结构特点,还深入研究了聚合物的链状结构、交联结构、晶型结构等方面。
例如,研究人员通过X射线衍射等方法,解析了聚合物链的取向、有序性等结构信息,从而深入理解了聚合物的机械性能、导电性能等方面的变化规律。
此外,研究人员还对软物质中的胶体、液晶等结构进行了深入的研究。
胶体是一种由微米级颗粒组成的分散体系,其结构与组成对其稳定性和流变性能有着重要影响。
研究人员通过实验和模拟方法,揭示了胶体颗粒的排列方式、空间分布等结构特征,并通过调控胶体颗粒的结构来实现特定的性能,如光学性能、电学性能等。
液晶是一种介于固体和液体之间的物质,其结构的有序性对其光学、电学等性能有着决定性作用。
近年来,研究人员通过研究液晶分子的取向和排列方式,不仅对液晶相的结构进行了深入的研究,还实现了液晶显示器、光学器件等领域的重大突破。
二、软物质性能研究进展软物质的性能研究是该领域的核心问题之一。
软物质的性能包括力学性能、电学性能、光学性能等多个方面。
在力学性能方面,软物质的可逆变形性是其独特的特点之一。
许多研究致力于揭示软物质的变形机制和变形行为。
例如,研究人员通过实验和模拟方法,研究了聚合物的拉伸变形、压缩变形等力学性能。
软物质的力学行为与生物相容性
软物质的力学行为与生物相容性嘿,咱今天来聊聊软物质这玩意儿的力学行为和生物相容性。
我先给您讲讲我之前的一个小经历。
有一回我去医院看朋友,正好碰上医生在给一位患者介绍一种新型的医疗材料。
那时候我就在旁边听着,虽然听得一知半解,但“软物质”这个词就这么印在我脑子里了。
咱先来说说软物质的力学行为。
您想想,像我们常见的橡胶、凝胶这类东西,它们可不是那种硬邦邦、一成不变的材料。
比如说橡胶,您能把它拉长、压缩,它会产生各种变形,但又不会轻易断裂。
这就是软物质独特的力学行为。
它不像钢铁那样刚强不屈,而是有着自己的“柔韧性”和“适应性”。
就拿我们穿的运动鞋来说,鞋底很多都是用了具有特殊力学性能的软物质。
当我们跑步、跳跃的时候,鞋底会根据我们的动作产生相应的变形,给我们的脚提供良好的缓冲和支撑。
您要是穿了一双鞋底硬邦邦的鞋去运动,那估计跑不了几步脚就疼得受不了啦。
再说说凝胶,这也是软物质的一种。
有些女生用的美容面膜就是凝胶材质的。
您把它敷在脸上,它能贴合您的脸部轮廓,不会像一块硬板似的不服帖。
这就是因为凝胶具有良好的变形能力,能够适应不同的形状。
然后咱们再聊聊生物相容性。
这可太重要啦!如果一种材料没有良好的生物相容性,那就算它其他性能再好,也没法用在人体里。
比如说,要是一种植入体内的材料会引起人体的排异反应,那岂不是糟糕透顶?像用于心脏起搏器的一些材料,就得有非常好的生物相容性。
它得能和人体的组织和平共处,不能引起炎症或者其他不良反应。
这就要求这些软物质材料在分子层面上就和人体的环境相适应。
还有那些用于药物传递的纳米粒子,它们也是软物质的一种。
这些小小的粒子要能够在血液中顺利地流动,不被人体的免疫系统当成“敌人”给消灭掉,同时还能准确地把药物送到需要的地方。
这可真是个精细的活儿!再比如说,现在有一种新型的隐形眼镜材料,它不仅柔软舒适,让您戴上去几乎感觉不到它的存在,而且还不会刺激眼睛,这就是因为它具有出色的生物相容性。
软物质的力学性能优化与应用前景研究
软物质的力学性能优化与应用前景研究咱们先来说说啥是软物质。
软物质这玩意儿,其实就在咱们身边,只是平常可能没太注意。
比如说,洗发水、牙膏,还有那黏糊糊的胶水,这些都是软物质。
那为啥要研究它们的力学性能呢?这可就有意思啦!我记得有一次,我在家里修东西。
需要用胶水把一块塑料片粘到木板上。
我随手拿了一瓶胶水,心想这应该能粘得牢牢的。
结果呢,等胶水干了,轻轻一扯,塑料片就掉下来了。
这让我特别郁闷,这才意识到,原来这胶水的力学性能不行啊,没达到能牢固粘贴的效果。
这就是一个小小的例子,让我们看到软物质力学性能的重要性。
如果能优化这些软物质的力学性能,那能带来的好处可太多啦。
就拿咱们熟悉的橡胶来说吧。
橡胶这东西,有弹性,能伸缩。
但是,如果它的力学性能不够好,比如说容易老化、容易断裂,那可就麻烦了。
想象一下,汽车的轮胎用着用着突然爆胎了,多危险呐!所以啊,优化橡胶的力学性能,让它更耐磨、更抗老化、更有韧性,那对于汽车行业来说,可是大大提高了安全性和使用寿命。
再说说生物医药领域里的水凝胶。
水凝胶这玩意儿能吸收大量的水分,而且还很柔软。
如果能把它的力学性能优化一下,让它在受到外力的时候不容易变形,那在药物输送、组织工程这些方面就能发挥更大的作用啦。
比如说,制作一种能精准释放药物的水凝胶胶囊,根据人体内部的环境变化,恰到好处地释放药物,这得多厉害!还有食品工业中的巧克力。
巧克力的口感和质地,其实也和它的力学性能有关。
要是能让巧克力在不同温度下都保持良好的口感和形状,那对于巧克力爱好者来说,简直是福音啊!那怎么来优化软物质的力学性能呢?这可不是一件简单的事儿。
得从多个方面入手。
首先,得从材料本身的分子结构下手。
就像搭积木一样,把分子重新排列组合,让它们之间的相互作用更强。
比如说,通过改变聚合物的链长、链的支化程度,来调整材料的力学性能。
其次,加工工艺也很关键。
比如说,在制造橡胶的时候,控制硫化的时间和温度,就能影响橡胶的交联程度,从而改变它的力学性能。
软物质的动力学行为与应用探索
软物质的动力学行为与应用探索软物质,这听起来是不是有点神秘?其实呀,它就在咱们的日常生活中,无处不在。
先来说说啥是软物质。
想象一下,你手里的一块口香糖,或者是洗发水,再或者是蛋清,这些都是软物质。
它们不像钢铁那样坚硬,也不像气体那样随意飘散,有着自己独特的性质。
就拿口香糖来说吧,你把它捏来捏去,它能随意变形。
这就是软物质的一个特点——容易受到外力的影响而改变形状。
有一次我在公园里看到一个小朋友,他把口香糖嚼了一会儿拿在手里玩儿,捏成各种奇怪的形状,一会儿是个小飞机,一会儿又像是一只小兔子。
他玩儿得不亦乐乎,这让我不禁想到,软物质的这种容易变形的特性,给孩子们带来了多少创造的乐趣呀。
那软物质的动力学行为又是啥呢?简单来说,就是它们在受到外界刺激时,内部结构和运动方式发生的变化。
比如说,你把洗发水倒在手上,它会慢慢流下来,这个流动的过程就是一种动力学行为。
咱们再深入一点,软物质的动力学行为在实际应用中可有着大用处呢!比如说,在医学领域,有一种叫做“脂质体”的软物质。
它可以包裹着药物,精准地送到病变的部位。
这就像是给药物装了个导航,让它们能准确到达目的地,发挥作用。
我有个朋友,他之前生病需要用一种特殊的药物治疗,医生就给他用了这种脂质体包裹的药物,效果特别好,很快他就康复了。
在材料科学方面,软物质也大显身手。
比如一些新型的高分子材料,具有良好的弹性和柔韧性,可以用来制作更舒适的运动鞋鞋底。
我自己就买过一双这样的运动鞋,穿上后跑步感觉特别轻松,脚底仿佛有一股弹力在推动着我前进。
还有食品工业,像巧克力的制作。
巧克力在加热融化和冷却凝固的过程中,其内部的分子结构发生变化,从而影响口感和质地。
记得有一次我自己在家尝试做巧克力,按照教程一步一步来,控制温度和搅拌的时间,最后做出来的巧克力虽然样子不太好看,但味道还不错,这让我真切地感受到了软物质动力学行为在美食制作中的奇妙作用。
在化妆品行业,乳液和面霜的稳定性和涂抹性能也与软物质的动力学行为密切相关。
软物质的力学性能优化研究
软物质的力学性能优化研究软物质这个词儿,您听着可能有点陌生。
但其实啊,在咱们的日常生活里,软物质可到处都是。
比如说,牙膏您天天用吧?果冻您喜欢吃吧?还有洗发水、胶水这些东西,它们都属于软物质。
那研究软物质的力学性能优化,到底有啥用呢?这用处可大了去啦!我记得有一次,我在家里做手工,想要用胶水把两块木板粘在一起。
结果那胶水质量不太好,粘了半天也没粘牢,稍微一用力,两块木板就分开了。
这让我特别郁闷,心想这要是能有一种性能特别好的胶水,一下子就能把木板粘得牢牢的,那该多好啊!这其实就是软物质力学性能需要优化的一个小例子。
咱们先来说说软物质的力学性能到底是咋回事。
软物质和咱们常见的那些硬邦邦的金属、石头可不一样。
它们的特点就是比较“软”,容易变形。
比如说橡胶,您能把它拉长或者压缩,而且在这个过程中,它的力学性能会发生变化。
这就像是一个会“变身”的小能手,根据外界的力量来改变自己。
那为啥要优化软物质的力学性能呢?您想想,如果咱们能让橡胶变得更耐磨,那汽车轮胎不就能用得更久了吗?如果能让胶水的粘性更强,那咱们做手工或者修东西的时候不就更方便了吗?再比如说,让化妆品里的乳液更稳定,咱们用起来效果不就更好了吗?为了优化软物质的力学性能,科学家们可是下了不少功夫。
他们就像是一群超级侦探,仔细研究软物质的分子结构、化学成分等等。
比如说,研究一下某种软物质的分子是怎么排列的,是不是这个排列方式影响了它的力学性能。
然后呢,根据这些研究结果,想办法去调整、改进。
这里面有个特别有趣的例子,就是关于一种新型的医用材料。
这种材料是用来做伤口敷料的,本来呢,它的粘性不太好,贴在伤口上容易掉。
科学家们经过一番研究,发现是材料的表面结构不太合理。
于是,他们对这个表面结构进行了优化,让它变得更粗糙一些,增加了和皮肤的接触面积。
结果您猜怎么着?这敷料的粘性一下子就提高了好多,能更好地保护伤口啦!在优化软物质力学性能的过程中,实验可是少不了的。
软物质的分子动力学行为研究
软物质的分子动力学行为研究哎呀,说起软物质的分子动力学行为研究,这可真是个有趣又有点复杂的话题。
先来讲讲我之前的一次经历吧。
有一次我去参加一个科学展览,在一个角落里看到了一个关于软物质的展示台。
展示台上放着一些看起来普普通通的材料,像果冻、洗发水,还有一些特殊的聚合物溶液。
我当时就挺好奇,这些日常生活中常见的东西怎么就跟高深的科学研究扯上关系了呢?后来经过工作人员的讲解我才明白,原来这些被称为软物质的东西,它们的分子动力学行为有着独特的规律。
那什么是软物质的分子动力学行为呢?简单来说,就是软物质中分子的运动和相互作用方式。
比如说,我们常见的胶体,里面的粒子就不是随便乱动的,它们有着一定的规律和约束。
再拿聚合物来说吧,像塑料、橡胶这些东西,它们的分子链就像是一条条长长的蛇,在不同的条件下会有不同的蜷曲、伸展和相互缠绕的方式。
这种分子的动态变化,直接影响了聚合物的性能。
软物质的分子动力学行为还和温度有很大关系。
就像巧克力,在常温下它是固态的,一到嘴里,温度升高了,它的分子就开始活跃起来,变得软软的可以融化。
还有液晶,这也是一种软物质。
液晶显示器大家都熟悉吧,它就是利用了液晶分子在电场作用下的排列变化来显示图像的。
在研究软物质的分子动力学行为时,科学家们会用各种先进的技术和方法。
比如说,利用计算机模拟来追踪分子的运动轨迹,就像是给分子拍一部“小电影”,看看它们是怎么“表演”的。
还有实验方法,比如通过光谱技术来观察分子的结构和运动变化。
在生物医药领域,软物质的分子动力学行为研究也有着重要的应用。
比如说药物的传递,药物分子在体内的运输和释放,都和软物质的特性密切相关。
再比如在食品工业中,像冰淇淋的口感、奶油的稳定性,都取决于软物质的分子动力学行为。
总的来说,软物质的分子动力学行为研究虽然听起来有点深奥,但其实和我们的生活息息相关。
它不仅能让我们更深入地理解自然界中的各种现象,还能为科技的发展和创新提供有力的支持。
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基于分数阶导数的“反常扩散方程”
p t Leabharlann p 0 0 1
0 1
Master equation (主方程),宏观唯象模型
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时间导数傅立叶域上的定义
• 分数阶时间导数: FT
D p i P
• 正定分数阶时间导数:FT
• 物理力学行为不能由“梯度率”描述(例 如,应力应变胡克定律、Fickian扩散率、 Fourier热传导、牛顿粘性、欧姆电阻率), 熵的作用重要,有幂率现象; • 微观和介观(细观)统计上不是“高斯白 噪声” ,为非高斯非马尔科夫过程; • 本质上是“历史依赖”、“路径依赖”、 “长程相关”。
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国内外现状
• 软物质的力学行为比普通固体、液体和气体要复杂得多,难以用 一般的微分方程力学建模方法和统计方法来描述,有关的理论和 计算研究都还不成熟。目前主要还在实验规律的积累阶段。
• 软物质力学的研究散见于流变学、复合材料力学、生物力学、土 壤力学、岩土力学、非牛顿流体等领域; • 涉及多孔介质、颗粒材料、玻璃熔体、高分子材料、生物组织、 泡沫、发泡金属材料等的宏观本构关系;研究的结果经验与半经 验的多,缺少系统性; • 力学研究依然较薄弱,国内尚无该方向的专业研究实验室和团队。
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分数导数的“反常”扩散方程
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标准扩散方程的物理背景
J ku
• • • • Darcy’s law (granular flow) Fourier heat conduction law Fick’s law Ohlm law
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• 连续性方程:
u J t
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面临的主要问题
• 物理力学机理不清楚,主要成果以经验和半经 验的凑合模型为主,表现为不同材料有不同的 本构模型,参数多,参数的物理意义不明确, 有人为的经验参数。 • 现有唯象模型方程的计算量和存储量过大。 • 跨学科研究少,共性问题的提炼和解决未得到 足够重视。
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软物质的“反常” 力学行为特征
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分数阶时间导数的意义和性质
• 历史依赖(有记忆)的过程(非马尔科夫过 程),与分数阶布朗运动相对应 • 带有奇异核的Volterra积分方程
• 数值计算时不能随意截断
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算子例子:
d 1 2t 2 12 t 12 dt
d 1 2 p t
1 2 p 0 dt 方程例子: p 0 A
软物质力学行为的建模方法
• 分形、分数阶导数、豪斯道夫分形导数 • Levy统计、伸展高斯分布、分数阶布朗 运动 • Nonextensive Tsallis熵、Tsallis分布
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典型的软物质力学行为
• “反常”扩散(热传导、渗流、电子输运、扩 散等) • 振动、声波、电磁波的任意阶频率依赖阻尼耗 散
• 扩散方程:
u ku t
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非线性模型
• Power-law fluids:
k m u
n 1
k
u
• 复杂流体的本构关系: 涉及卷积运算的多松弛 模型和各种非线性模型 。其特点是不同材料 有不同的本构模型,参数多,有人为的经验参 数(经验和理论凑合型模型)。
Solution:
pt Aet erfc t
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Weierstrass function (differentiability order 0.5)
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材料的力学本构关系
• 理想固体胡克线弹性定律: • 理想(牛顿)流体本构: • 刚体运动牛顿第二定律:
F kx
u F y
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河海大学的研究背景
• 工程力学为河海大学优势工程学科(水利水 电、土木、环境资源等)的支撑性基础学科。
• 土壤、水下沉积物、层状岩石、石油、颗粒 物质、淤泥等软物质为水利水电、土木、环 境资源等领域的基本研究对象。
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工程应用举例
• 超声波在各种软物质中传播的能量耗散,建筑物防震 的软物质隔震阻尼器的耗散,地震勘探中地震波在多 孔岩层和石油中传播的耗散,高速铁轨地基的振动和 噪声; • 生物力学问题,纺织软物质的热传导和扩散行为;液 晶、胶体、薄膜、泡沫、发泡金属材料等新材料的力 学性质; • 结构安全工程中软物质吸能材料对爆炸、冲击和振动 能量的吸收; • 土体本构关系与软土流变、岩石力学与工程、土石坝 应力变形分析等问题。
软物质(soft matter)?
• 软物质(也称为“复杂流体(complex fluids)”,软凝聚态物质)是介于理想固体 和流体之间的复杂状态物质。。 • 软物质大多由大分子或基团组成,经常 是多相(固、液、气)介质。例如,生 命物质、聚合物、液晶、胶体、薄膜、 泡沫、发泡金属材料、纺织物等。
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理想固体晶格结构
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Lattice structures
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5/67
6/67
7/67
8/67
9/67
10/67
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Fractured microstructures
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软物质力学行为研究的重要性
• 在自然界、生命体、日常生活,工业生产中广 泛存在或使用。 • 近年欧美物理学会开辟了“软物质”为主要内 容的专业研究杂志,中国科学院物理研究所 2001年成立“软物质物理实验室”;在Nature 和Science不时有报道,开始引起国际力学界 的关注,逐渐成为研究热点。
d 2x F m 2 dt
• 软物质的本构关系:
x F t
0 2
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分数阶拉普拉斯算子的定义
D p
P
W. Chen, S. Holm, Modified Szabo’s wave equation models for lossy media obeying
frequency power law, J. Acoustic Society of America, 2570-2574, 114(5), 2003.