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黄维院士IAM团队在国际顶级学术期刊《自然•纳米技术》(Nature Nanotechnology)发表高水平研究论文
时间 : 2016-07-04 16:05 来源 : 常青藤 作者 : 先进材料研究院(  点击 :

 

布朗运动因其描述了微观粒子在液体或气体中的无规则运动而被人们所熟知。由于微观运动的无规则性和极短的时间尺度(尤其当初始运动特征时间小于10-10秒),因此爱因斯坦曾预测布朗运动的瞬时速度无法测量。近日,我校海外人才缓冲基地(先进材料研究院,IAM)、江苏省柔性电子重点实验室黄维院士、谢小吉教授,与新加坡国立大学化学系(新加坡材料研究院)刘小钢教授、葡萄牙阿威罗大学Luís Carlos教授,以及南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院陈润锋教授等科研团队精诚合作,在测量非热平衡体系中纳米颗粒的瞬时布朗运动速度方面取得重大突破,实现了对100纳米以下的纳米颗粒布朗运动速度的测量,相关工作发表在国际顶级学术期刊——《自然•纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。

据介绍,测量布朗运动的瞬时速度需要测量仪器具有超高的时间和空间分辨率。因此,自1907年爱因斯坦提出理论预测,该研究领域一直停滞不前。直到2000年前后,科研人员才利用复杂的光镊技术首次测量出颗粒在空气中的布朗运动速度,但是其测量精度目前仍停留在微米尺度。针对这一基础性的重大科学问题,该团队创新性地提出,从布朗运动的温度敏感性出发,利用基于稀土掺杂上转换纳米材料的纳米温度计,通过监测纳米尺度的上转换发光对热波动的响应,来实现在水溶液和有机溶剂中对布朗运动瞬时速度的测量。由于液体较之气体具有更高的粘度,纳米颗粒在液体中的初始布朗速度则具有更短的特征时间,成功测量液体中的布朗瞬时速度为深入研究布朗运动提供了崭新的思路,如测试修正后的能量均分定理和麦克斯韦尔-玻尔兹曼分布。更为重要的是,该研究还验证了在较低纳米颗粒悬浮液浓度下爱因斯坦关于布朗运动速度不受微观颗粒大小和形状影响的预测。

该研究对深入了解布朗运动具有重要的科学意义,深化了在微观尺度上物质相互作用的认识,同时该研究方法也为研究流体的热力学性质提供了新的思路,如纳米颗粒悬浮液的热传导、热对流和质量输运性质,进一步促进光电功能材料在基础物理学领域的深入研究。此外,由于布朗运动可以提供有用的统计学信息,相信该测量技术将在热动力学系统中的耗散过程分析、生物医学中的基因修复和人工智能研发,以及股票价格预测,甚至宇宙形成的探索等领域起着不可估量的作用。

近年来,南京工业大学在创建“综合性、研究型、全球化”大学的进程中,涌现出多个以IAM为代表的创新团队,海外人才缓冲基地和国家级协同创新中心在高端人才引育、科研成果体现、交叉学科建设等方面成效显著,已相继在《自然•材料》、《自然•纳米技术》、《自然•通讯》等国际顶级学术期刊上发表多篇高水平研究成果,为建设世界一流大学和一流学科奠定了坚实基础。