金属纳米颗粒间相互作用力

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。
NUC
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
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。
梯度力与光强的关系
梯度力与光强关系导出：
Fgrad n2 m 2 1 2a I 2 c m 2
3
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：
Fscat 8 m2 1 2 4 6 n2 k a [ ] I 3 c m2 2
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1—2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。
谢谢各位老师指导
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: Nh
光镊效应示意图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
梯度力
根据偶极近似，梯度力可以表示为:
Fgrad Re(a) 0 E / 4
其中为 0 真空介电常数,a为金属粒子的极化率:
4a 3 1 ( 1 ) ( 2 1 )
2
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
Casimir–Polder 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。
库仑力对纳米颗粒的影响
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
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 335 nm 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 m
光作用力的讨论
范德华力的分析
Casimir–Polder 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
P c
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。