金属纳米颗粒间相互作用力ppt课件

1、纳米颗粒间相互作用力纳米颗粒间相互作用力颜大学问颜大学问| 指点教师指点教师: 武大先生武大先生 | 中北大学中北大学NUC课题陈说课题陈说v 当一束激光打在假设干枚金属纳米颗粒上时，由于纳米颗当一束激光打在假设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外表积，这样的性质必将粒具有极小的质量和极大的相对外表积，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，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讨成果，对纳米颗粒间的相结

2、合当今科学界相关领域的研讨成果，对纳米颗粒间的相互作用力进展有重点的分析和讨论。互作用力进展有重点的分析和讨论。金属纳米颗粒间存在哪些作用力？金属纳米颗粒间存在哪些作用力？v 光作用力光作用力v 范德华力范德华力v 热作用力热作用力v 外表等离子体共振效应外表等离子体共振效应v 静电库仑力静电库仑力本文中用到的数据本文中用到的数据v 激光的波长激光的波长:我们选择氮分子激光器波长我们选择氮分子激光器波长v 金属纳米颗粒金属纳米颗粒:选择金纳米颗粒半径选择金纳米颗粒半径10nmv 激光功率激光功率10mWv 高斯光束的束腰半径高斯光束的束腰半径0.2nm335m光作用力的讨论光作用力的讨论v 正

3、如本文绪论中讲的一样，本文研讨的课题主要是在一束正如本文绪论中讲的一样，本文研讨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遭到的力毫无疑问是光作用力。由于纳米颗粒的直径小先遭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：于激光的波长，因此光作用力包括：v 光压光压v 光镊效应光镊效应关于光压关于光压v 光的根本属性光的根本属性能量和动量能量和动量 v P=E/Cv 光与物质相互作用伴随着动量的交换光与物质相互作用伴随着动量的交换, 从而表现为光对物从而表现为光对物膂力的作用力膂力的作用

4、力F=P/t 。由于光辐射对物体产生的力。由于光辐射对物体产生的力经常表现为压力，因此通常称之为辐射压力或简称光压。经常表现为压力，因此通常称之为辐射压力或简称光压。v N个光子打在平面上个光子打在平面上v 产生的光压，根据公产生的光压，根据公v 式推出光压式推出光压P为为:v v cNhP光镊效应光镊效应v 然而，我们此处的纳米颗粒半径小于激光波长，在这种情然而，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，即构成束缚粒子的势阱。形下，光对物体也可产生拉力，即构成束缚粒子的势阱。v 动摇光学实际动摇光学实际(也是光镊的根本实际也是光镊的根本实际) 以为以为,在光轴方

5、向有在光轴方向有一对作用力一对作用力:v 1.与入射光同向的散射力与入射光同向的散射力Fscatv 2.与光强梯度同向的梯度力与光强梯度同向的梯度力Fgrad。光镊力的分析与仿真光镊力的分析与仿真v 下面我们来引见一下这两种主要的力：下面我们来引见一下这两种主要的力：v 梯度力，它是由光束经过高数值孔径后产生的强斑构成的，梯度力，它是由光束经过高数值孔径后产生的强斑构成的，这种梯度力的总是方向指向光强最大处，因此可以将粒子这种梯度力的总是方向指向光强最大处，因此可以将粒子推向光强的中心；推向光强的中心；v 散射力，它是由光与粒子作用时的反射、折射和吸收产生散射力，它是由光与粒子作用时的反射、折

6、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。的，这种散射力的方向总是指向光束传播的方向。光镊效应表示图光镊效应表示图梯度力梯度力v 根据偶极近似，梯度力可以表示为根据偶极近似，梯度力可以表示为:v 其中为其中为 真空介电常数真空介电常数,a为金属粒子的极化率为金属粒子的极化率:v v 4/)Re(20EaFgrad0)2()(41113a梯度力仿真梯度力仿真v 用用MATLAB做梯度力的仿真做梯度力的仿真v 图中横轴表示纳米颗粒图中横轴表示纳米颗粒v 与激光束中心的间隔与激光束中心的间隔v 纵轴表示颗粒遭到的梯纵轴表示颗粒遭到的梯v 度力度力梯度力与光强的关系梯度力与光强的关系v

7、梯度力与光强关系导出：梯度力与光强关系导出：v 横坐标表示光强度横坐标表示光强度v 纵坐标表示梯度力纵坐标表示梯度力ImmcnaFgrad2122223散射力散射力v 根据资料，散射力的近似为：根据资料，散射力的近似为：v 横坐标表示光强横坐标表示光强v 纵坐标表示散射力纵坐标表示散射力ImmcnakFscat2222642138纳米颗粒的范德华力纳米颗粒的范德华力v 纳米颗粒间间隔不同，主要的相互作用力也不同，当间隔纳米颗粒间间隔不同，主要的相互作用力也不同，当间隔在在100纳米之内时，纳米之内时，Van der waals力会变得明显。力会变得明显。Vander waals力是分子间存在的

8、一种相对较弱的吸引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，约比化学键能小力，它不属于化学键，约比化学键能小12个数量级。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粒与传统粗大颗粒(主要指颗粒粒径在主要指颗粒粒径在 1mm 以上的颗粒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景象等方面都存在显著差别。范德华力是影观运动规律和景象等方面都存在显著差别。范德华力是影响颗粒与其它颗粒聚会、或者排斥响颗粒与其它颗粒聚会、或者排斥,吸

9、引的主要要素，对吸引的主要要素，对颗粒的接触后行为起主导作用。颗粒的接触后行为起主导作用。范德华力的分析范德华力的分析v CasimirPolder 电位电位v Casimir力是范德华力在微米级尺度的称谓，是典型力是范德华力在微米级尺度的称谓，是典型的由电磁动摇引起的机械力，它表示成键的电子云在外界的由电磁动摇引起的机械力，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电场的作用下，发生相对变化的程度v 光诱导电位光诱导电位 v 原来指由于光的照射在植物细胞上产生的膜电位，此处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外表上产生的外表电位指激光照射在纳米颗

10、粒外表上产生的外表电位CasimirPolder 电位电位v 对角线上的斜线表示两粒直径为对角线上的斜线表示两粒直径为10nm的金纳米颗粒的的金纳米颗粒的Casimir-Polder势势U(R)光诱导电位光诱导电位v 光诱导势在两个直径为光诱导势在两个直径为10nm金属纳米颗粒在金属纳米颗粒在535nm波波长的入射光时的仿真长的入射光时的仿真纳米颗粒的热泳运动纳米颗粒的热泳运动v 热泳景象是指在温度梯度不为热泳景象是指在温度梯度不为0的气体中，粒子向较冷区的气体中，粒子向较冷区域运动的景象。在多原子理想气体中，对于粒径小于气体域运动的景象。在多原子理想气体中，对于粒径小于气体分子平均自在程的球

11、形粒子，热泳速度正比于温度梯度，分子平均自在程的球形粒子，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。温度梯度，计算较复杂。纳米颗粒的外表等离子体共振效应纳米颗粒的外表等离子体共振效应 v 由于纳米颗粒外表存在自在振动的电子会与光子相互作用由于纳米颗粒外表存在自在振动的电子会与光子相互作用产生的沿着金属外表传播的电子疏密波，这种电磁外表波产生的沿着金属外表传播的电子疏密波，这种电磁外表波被称为外表等离子体，它在外表处场强最大，在垂直于界被称为外表等离子体，它在外表处场强最大，在垂直于界面方向是

12、指数衰减场，它可以被电子也能被光子激发。在面方向是指数衰减场，它可以被电子也能被光子激发。在光照作用下，金属纳米颗粒外表的自在电子发生极化，在光照作用下，金属纳米颗粒外表的自在电子发生极化，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，在特定的波长产生剧烈的外表等离子体共振吸集体振荡，在特定的波长产生剧烈的外表等离子体共振吸收，从而改动纳米颗粒的活泼程度。收，从而改动纳米颗粒的活泼程度。库仑力对纳米颗粒的影响库仑力对纳米颗粒的影响v 静电力是除了范德华力和流膂力外最广泛存在的颗粒间静电力是除了范德华力和流膂力外最广泛存在的颗粒间或颗粒或颗粒-壁面间作用力。由于摩擦的存在，普通来说壁面间作用力。由于摩擦的存在