原子布朗运动引发膜振动与镜面屈曲和突跳机理及新型电池技术

The atomic Brownian motion induced by ambient temperature (Levy walk) can cause permanent transverse vibration and mirror buckling of two-dimensional membrane structures represented by the Graphene. By converting heat stored in the environment into structural deformation energy or mechanical energy without additional load and combination of this membrane vibration and electrostatic power generation technology, a new type of green cleaning physical thermal battery can be designed without recharging. First of all, It is necessary to solve several fundamental mechanics problems: 1, How does random atomic Brownian motion cause lateral vibration of independent membrane structure and how to establish membrane structure governing equation? 2. How do Brownian motion and negative expansion of two-dimensional materials cause membrane structure to occur of mirror buckling? 3. The mechanical relationship between mirror buckling and the step phenomenon in membrane vibration. With the aid of STM expetiments, Atomic potential energy method and nonlinear large deformation buckling theory and Molecular Dynamics method can be used to study these fundamental mechanical problems and provide a theoretical basis for the innovative technology.

环境温度导致的原子布朗运动（诱发列维行走）可以引发以石墨烯为代表的二维材料膜结构永久性横向振动和镜面屈曲及突跳，将环境中储存的热量转化为结构变形能或机械能而不需要施加额外载荷，采用这种膜振动和静电发电技术就可以设计出新型绿色清洁无需充电物理热电池。要实现这项新技术，必须首先解决几个基础力学问题：1、随机的原子布朗运动是如何引起独立膜结构横向振动及如何建立膜结构控制方程。2、布朗运动和二维材料负膨胀引起膜结构发生镜面屈曲的力学机理。3、镜面屈曲与膜振动中的突跳现象的力学关系。通过分子动力学、原子势能法以及非线性大变形屈曲理论与实验测试，可以对这些基础力学问题开展深入研究，为新技术提供理论基础。

石墨烯作为一种典型的原子厚度的二维材料，受到全球各个领域科研工作者的重视，对其力学、化学等性质展开全面研究。除此之外，石墨烯中的碳原子表现出的异常行为以及环境温度下悬浮石墨烯膜发生的镜面屈曲现象均具有丰富的研究价值。对石墨烯热环境下自然的翻转现象进行有效诱导利用，就有可能在此基础上开发出新型的绿色清洁能量收集装置——物理热电池。因此本项目围绕以下关键科学问题展开研究：.1).布朗运动引发二维材料膜振动的力学机理与控制方程的建立.2).动态平衡下镜面屈曲和突跳发生的临界条件及其判定准则.3).基于应变工程的布朗运动激发膜结构横向振动弱周期控制方法.2018年得到资助后，组织1名教授，1名副教授，2名硕士生，4名博士生建立研究组围绕申请书中研究内容开展研究工作。.采用重整化方法、构建分数阶微积分方程等基础理论，结合分子动力学模拟计算以及扫描隧道显微镜观测得到的实验数据，建立石墨烯中碳原子反常速度分布，反常扩散的描述方法，对自支撑石墨烯镜面屈曲现象的影响因素进行研究，并对石墨烯能量收集装置的实现进行初步探索。.预期的研究成果基本完成。.发表SCI文章7篇。培养硕士研究生2人，博士研究生4人。取得的关键学术成果：.1).修正的Langevin方程描述石墨烯中碳原子反常速度分布现象.2).通过分数阶微积分建立的广义扩散-反应方程描述石墨烯中碳原子反常扩散现象.3).通过Kadomtsev-Petviashvili方程及Korteweg-de Vries方程的一些孤子解唯象地描述石墨烯表面波纹结构.4).通过宏观和微观计算方法的比较，发现分子动力学更适合分析自支撑石墨烯镜面屈曲现象.5).基于二元掩模光刻工艺，设计出一种在硅晶片上的自支撑石墨烯可变电容器.申请发明专利1项，另有一项正在撰写中。撰写学术专著1本。参加国内学术会议8人次，国际学术会议8人次，其中担任分会场主席1人次，作分会场报告1人次。邀请美国阿肯色大学Thibado教授前往同济大学航空航天与力学学院进行学术交流，并联合发表SCI文章2篇。.