Наномеханика — раздел нанонауки, изучающий фундаментальные механические (упругие, тепловые и кинетические) свойства физических систем в нанометровом масштабе. Наномеханика возникла на стыке биофизики , классической механики , физики твердого тела , статистической механики , материаловедения и квантовой химии . Как область нанонауки, наномеханика обеспечивает научную основу нанотехнологий .
Наномеханика — это раздел нанонауки, который занимается изучением и применением фундаментальных механических свойств физических систем в наномасштабе, таких как упругие, термические и кинетические свойства материалов.
Часто наномеханика рассматривается как раздел нанотехнологий , т. е. прикладная область с фокусом на механических свойствах инженерных наноструктур и наносистем (систем с важными наномасштабными компонентами). Примерами последних являются наномашины , наночастицы , нанопорошки, нанопровода , наностержни , наноленты, нанотрубки , включая углеродные нанотрубки (CNT) и нанотрубки нитрида бора (BNNT); нанооболочки , наномембраны, нанопокрытия, нанокомпозитные /наноструктурированные материалы (жидкости с диспергированными наночастицами); наномоторы и т. д. [ требуется ссылка ]
Некоторые из устоявшихся направлений наномеханики : наноматериалы , нанотрибология ( механика трения , износа и контакта в наномасштабе ), наноэлектромеханические системы (НЭМС) и нанофлюидика .
Наномеханика как фундаментальная наука базируется на некоторых эмпирических принципах (базовых наблюдениях), а именно на общих принципах механики и частных принципах, вытекающих из малости физических размеров объекта исследования.
Общие принципы механики включают в себя:
Ввиду малости изучаемого объекта наномеханика также учитывает:
Эти принципы служат для предоставления базового понимания новых механических свойств нанометровых объектов. Новизна понимается в том смысле, что эти свойства не присутствуют в подобных макромасштабных объектах или сильно отличаются от свойств тех (например, наностержни против обычных макроскопических балочных структур). В частности, малость самого объекта приводит к различным поверхностным эффектам, определяемым более высоким отношением поверхности к объему наноструктур , и, таким образом, влияет на механоэнергетические и тепловые свойства (температура плавления, теплоемкость и т. д.) наноструктур . Дискретность служит фундаментальной причиной, например, дисперсии механических волн в твердых телах и некоторого особого поведения основных решений эластомеханики в малых масштабах. Множественность степеней свободы и рост тепловых флуктуаций являются причинами теплового туннелирования наночастиц через потенциальные барьеры , а также перекрестной диффузии жидкостей и твердых тел . Малость и тепловые флуктуации обеспечивают основные причины броуновского движения наночастиц. Повышенное значение тепловых флуктуаций и конфигурационной энтропии в наномасштабе приводит к появлению суперэластичности , энтропийной упругости ( энтропийных сил ) и других экзотических типов упругости наноструктур . Аспекты конфигурационной энтропии также представляют большой интерес в контексте самоорганизации и кооперативного поведения открытых наносистем .
Квантовые эффекты определяют силы взаимодействия между отдельными атомами в физических объектах, которые вводятся в наномеханику с помощью некоторых усредненных математических моделей, называемых межатомными потенциалами .
Последующее использование межатомных потенциалов в классической динамике многих тел обеспечивает детерминированные механические модели наноструктур и систем в атомном масштабе/разрешении. Численные методы решения этих моделей называются молекулярной динамикой (МД), а иногда и молекулярной механикой (особенно, по отношению к статически уравновешенным (неподвижным) моделям). Недетерминированные численные подходы включают Монте-Карло , кинетический Море-Карло (КМК) и другие методы. Современные численные инструменты включают также гибридные многомасштабные подходы, позволяющие одновременно или последовательно использовать методы атомистического масштаба (обычно МД) с методами континуального (макро) масштаба (обычно полевая эмиссионная микроскопия ) в пределах одной математической модели. Разработка этих сложных методов является отдельным предметом исследований прикладной механики .
Квантовые эффекты также определяют новые электрические, оптические и химические свойства наноструктур , и поэтому они привлекают еще большее внимание в смежных областях нанонауки и нанотехнологий , таких как наноэлектроника , передовые энергетические системы и нанобиотехнологии .