会员风采 | 2025年江苏省振动工程学会青年科技奖获得者——刘汝盟

本期人物

个人简介

研究方向

针对纳尺度下热噪声影响机理不明、非线性作用难刻画、范德华作用复杂三个关键科学问题开展研究，发展了高效计算方法，揭示了纳结构整体动力学行为的分子机制，建立了可准确描述典型纳米谐振结构高频振动行为的力学模型，为超高频NEMS芯片设计、制备与动力学实验测试提供了基础支撑。

科研成果

1.典型纳结构热振动

以构筑纳谐振器的典型纳结构为研究对象，创新性地发展了计算效率接近经典分子动力学的半量子分子动力学方法，系统揭示了低维碳材料结构从零温至热解温度全温度段的热振动演化规律。

创新点1：提出了利用热振动确定典型纳结构精确等效力学参数的普适方法

针对单层石墨烯、碳纳米管等典型纳米材料等效力学参数（如等效厚度、杨氏模量）长期存在的学术争议，通过全原子分子动力学模拟，系统考察了不同边界条件下纳米结构的常温热振动特性。提出通过原子热振动信息反演宏观模态特征的方法，精确测定单层石墨烯的弯曲刚度为1.4eV（与实验和第一性原理计算误差仅2.7%）。基于能量均分原理，构建了热噪声耦合的典型纳尺度结构动力学等效模型，其预测的热振动均方根振幅值与分子动力学计算结果高度吻合。

创新点2：发展了接近经典分子动力学计算效率的半量子分子动力学方法

针对纳结构GHz-THz级高频振动导致的显著的原子核量子，发展了基于修正朗之万方程的半量子分子动力学方法，突破低温下纳尺度结构热振动计算限制；建立了融合原子核量子效应和非局部效应的等效铁木辛柯梁模型和等效板模型，并将其成功应用于典型纳米谐振结构热振动过程的研究。

2.纳结构非线性动力学行为

发现了热噪声诱导的涡动现象；揭示了分子构型与几何非线性对纳米谐振器动力学行为的调控机制，为建立普适性纳尺度非线性动力学理论奠定了基础。

创新点1：发现了一维纳结构热驱涡动现象

当温度升高至临界值时，碳纳米管的热振动振幅会突破线性阈值，进入非线性振动状态。通过建立考虑热涨落力的非线性Timoshenko梁模型，揭示了该现象的物理本质——几何非线性导致的模态耦合效应使能量从面内振动转向面外振动，为理解纳机械系统中热-力耦合效应提供了新视角。

创新点2：建立了包含分子构型特点和几何非线性的纳结构动力学模型

针对螺旋石墨烯的特殊构型，创新性地提出了等效非对称非线性弹簧模型，成功刻画了螺旋石墨烯非线性受迫振动过程中刚度软化向刚度硬化的转变过程。对于单层黑磷谐振器，通过融合几何非线性和结构离散特性，构建了包含振幅平方阻尼项的等效动力学模型，结合分子动力学模拟系统揭示了圆形单层黑磷谐振器的非线性受迫振动行为。

3.范德华结构动力学特性

阐明了范德华对称性破缺对双层结构固有频率、屈曲、莫尔重构等行为的影响机制，构建了可准确描述其力学行为的等效模型。

创新点1：范德华结构非线性动力学行为

针对基于双层二维材料的谐振器，建立了考虑层间剪切和几何非线性效应的非线性圆形层合板模型，并采用非线性圆形层合板模型和分子动力学模拟的方法研究了基于双层二硫化钼的纳米鼓膜谐振器的非线性静力学和动力学行为。指出层间剪切效应会增强双层范德华材料弯曲刚度，并降低双层范德华材料纳米谐振器的非线性刚度硬化现象。此外，通过研究发现具有不同扭转角的双层二硫化钼表现出不同的层间剪切强度，提出了通过改变二硫化钼鼓膜谐振器中的扭转角来控制双层范德华材料鼓膜谐振器的非线性特性的机制。该研究将为多层范德华纳米谐振器的设计和应用提供理论支撑。

创新点2：范德华结构对称性破坏与动态应变调控

提出了负剪切模量的概念，并从原子尺度上给出了层间剪切与结构振动频率之间的耦合机理。在此基础上，进一步采用全原子分子动力学方法并结合连续介质模型研究了莫尔纹对扭转双层二硫化钼振动频率的调控作用。指出扭转引起的莫尔纹结构会导致范德华势能产生对称性破缺，进一步引起谐振器固有频率发生改变，且出现了明显的模态劈裂现象。建立了可准确描述这种现象的等效非对称层合板模型。发现了扭转过程中原子重排导致的结构局部屈曲行为。发现了范德华作用非对称导致的非对称后屈曲现象以及模态局域化行为。定量分析了离面变形与莫尔超晶格结构变化之间的关系，提出了基于机械振动的莫尔超晶格结构快速调控机制。

探索未知的过程总是充满挑战，但将未知变为已知，正是对这份艰辛最深刻的犒赏。