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光镊悬浮单颗粒测量技术
气溶胶是大气中固态、半固态与液态颗粒的总称,粒径可从几纳米到数百微米,组成涵盖有机物、无机物、生物分子与生物体等多种组分,且具有扩散性强、折光性好等特点。气溶胶的物理化学性质与动态变化,对气候、空气污染、环境工程、军工制造、生物化学循环与人类生命健康具有重要意义。实现气溶胶物理化学性质与动态变化精细表征是气溶胶领域的前沿课题,要求建立悬浮单气溶胶的高端研究平台。基于气溶胶单颗粒悬浮技术的高端测量平台,深刻认识气溶胶表界面反应机制,准确判断气溶胶相变过程,时时跟踪气溶胶非平衡过程,精准测量有机气溶胶的饱和蒸气压,实现气溶胶理化性质广泛而准确的计量,构建气溶胶理化性质的标准测量方法,搭建自主化测量平台,是国家高端仪器研发与国产化亟待解决的前沿课题。 当前气溶胶的表征方法均处于单打独斗的测量状态,无法对单气溶胶进行多性质、多维度、长时间的观测,存在较大局限。2018年荣获诺贝尔奖的光镊技术,作为最前沿的量子计量技术,可以对悬浮单液滴进行长时间精准测量。通过同时测量液滴受激拉曼信号与模态,实现粒径、折射率的绝对测量,进而得到饱和蒸气压等理化性质。同时测量液滴自发拉曼,还可以观测液滴的化学组成演变。 负责人通过在光镊技术近十几年的实践与应用,实现了高精度测量,粒径误差小于1nm,折射率误差小于0.0002,并且能够以天为单位,长时间稳定测量。本项目的目标是基于光镊技术的成长与积淀,建立气溶胶理化性质的标准测量装置与测量方法,优化当前原理样机的光学与工程设计,提升装置的稳定性,实现气溶胶光镊悬浮单颗粒测量技术的工程化与商业化。此外,作为拓展性目标,通过测试,采用国产元器件,推进高端仪器的国产化。 光镊测量装置具有广阔的市场前景。不仅为研究气溶胶的理化性质和环境影响提供了新手段,也可以为发动机研发,生物化学战剂效果提供新启示,还可用于检测和分析环境、药物、食品等液体样品中的微粒物质,为相关行业提供质量控制提供新标准。根据国际权威机构的预测,全球气溶胶监测市场年均增长率为8.2%。该方法具有明显的技术优势和应用潜力,可满足不同领域对气溶胶监测的需求。 本成果已在国内外多个知名期刊发表论文,并已开展相关专利布局,基于拉曼与细颗粒物测量已拥有国家专利2项。另有3项国家专利的申请正在准备中。本成果的升级与完善已得到国家自然基金委国家重大科研仪器研制项目资助,并已与多个科研机构和企业建立合作关系,取得了良好的效果和反馈。
北京理工大学 2023-07-17
泥沙颗粒输运背后的力学机制
地球表面高山、丘陵、沙漠、河流、潮滩等地貌形态万千,它们是如何在历史的岁月中逐渐形成的呢?放眼宇宙,空气密度极低的冥王星,是如何神奇地拥有丰富的沙丘地貌?被称为沙漠行星的火星会因为大风而刮起沙尘暴吗……这些自然界中的奥秘正是地球物理学科的泥沙运动力学所研究的问题。已有的研究告诉我们,泥沙颗粒输运普遍发生于大气环境和水环境中,是塑造地貌形态最重要和最根本的自然过程之一。如何理解和定量描述地表环境泥沙颗粒的起动、输运和沉降是揭示地貌形态千差万别的核心问题。目前野外和实验数据已经证明,粗颗粒泥沙输运量与流体强度之间的关系,在大气环境表现为线性,在水环境表现为非线性。然而,如此截然不同的输运规律背后的力学机制却一直还是个迷。近日,浙江大学海洋学院百人计划研究员托马斯·派兹(Thomas Pähtz)博士成功揭开了这个谜底,并推导出了描述粗颗粒泥沙输运量与流体强度关系的通用方程。北京时间2020年4月20日,相关研究成果在物理学学术期刊美国物理学会刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters,简称PRL))上发表,并被该刊物和杂志Physics同时聚焦报道。通过离散元(DEM)精细数值模拟追踪大量泥沙颗粒的运动轨迹并分析其受力特征, 托马斯·派兹首次发现,粗颗粒泥沙的动能耗散机制主导其输运规律。大气环境条件下颗粒和床面间碰撞是主要的耗散机制;而在水环境条件下,颗粒和床面间碰撞以及颗粒之间的碰撞起着同等重要的作用。根据这一新的理论认识,托马斯·派兹推导了能统一描述大气环境和水环境粗颗粒泥沙输运量与流体强度关系的通用方程。这为深入认识地球甚至火星等外星球表面丰富多样的地貌形态提供了有力的理论工具。 统一输沙率公式与水环境(左图)和大气环境(右图)相关实验资料对比“最困难的部分是对模拟的结果进行物理解释和数学描述。在总共7年的时间里,我无数次地用笔和纸进行尝试。特别是在最初的4年里,我大部分时间都在思考这个问题。” 托马斯·派兹说。评审专家认为,这项研究工作是地球物理学科最基础而没有被揭示的问题。而对于未来的进一步应用,托马斯·派兹表示,上述通用方程可以预测任意大气/水体环境下的泥沙输运量,这使我们能够更好地了解这些天体的地貌,还可以通过测量行星的动力地貌来间接推断行星的风况。据悉,托马斯·派兹于2020年1月起受邀担任美国地球物理学会会刊《地球物理学研究杂志-地表过程》的副主编。他是浙大近海环境流体力学团队的重要成员。该团队由贺治国教授领衔,主要从事近海泥沙动力学、海岸动力学、近海环境流体力学等方面的研究,成果已逐步应用于理解河口海岸泥沙运动、深水航道整治、深海地貌演变、深海热液源矿物颗粒沉积等问题,取得了重要的国际影响力。该研究得到国家自然科学基金和浙江大学百人计划研究基金资助。论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.168001
浙江大学 2021-04-11
颗粒行为与多相流动数值模拟
上海理工大学 2021-01-12
全球大气水汽压差变化及其对植被生长的影响
揭示了自上个世纪90年代末以来,全球大气水汽压差呈现急剧增加的趋势。大气水汽压差表征了大气饱和水汽压与实际水汽气压的差值,水汽压差增加意味着通过植物蒸腾和土壤蒸发作用散失到大气中的水汽量增加,这会在很大程度上增加植被受干旱胁迫的程度。同时,植物为了减少水分损失,会关闭气孔,这会降低植物的光合作用,限制植被生长。上个世纪以来,由于受到全球变暖的影响,大气饱和水汽压持续增加,同时,由于海洋蒸发减少和陆地土壤变干,实际水汽压增加幅度小于饱和水汽压,从而导致水汽压差增加,大气干旱胁迫程度加剧。该研究综合利用5套全球遥感植被指数和叶面积指数数据产品,发现与大气水汽压增加对应的,全球植被生长自上个世纪末以来呈现生长减缓甚至生长增加停滞的趋势。通过利用两个遥感数据驱动的植被生产力模型和机器学习方法,该研究开展了量化水汽压差变化对植被生长影响的分析。分析结果显示,上个世纪90年代末以来大气水汽压差增加导致的植被生产力降低,抵消了大气二氧化碳浓度增加对植被生长的“施肥效应”。该研究也发现,由于持续的全球气候变暖,大气水汽压差增加的趋势将持续到本世纪末,其对植被生长的影响也将持续存在。然而,目前的陆地生态系统模型并未能准确反映大气水汽压差对植被生长的限制作用,因而会显著高估未来的陆地植被生产力。       该研究揭示了全球大气水汽压差的长期变化趋势,不仅强调了全球变暖所引发的一个对全球植被生长的重要影响方式,为自上个世纪末以来植被增长减缓和停滞找到了关键的科学证据,同时也有助于提高陆地生态系统模型对气候变暖响应的模拟能力。
中山大学 2021-04-13
一种大气折射修正状态下目标重建方法
本发明公开了一种大气折射修正状态下目标重建方法,属于图像处理的三维重建方法,解决现有目标重建方法未考虑大气折射对光线传播影响而导致的目标定位误差较大的问题,可用于远距离预警系统。本发明方法包括:(1)确定过目标和地心的直线方程;(2)根据相机C1 成像信息确定目标位置 P1';(3)根据相机 C2 成像信息确定目标位置P2';(4)得到准确的目标实际位置 P'。本发明考虑了大气折射的影响,并针对不同地区、不同季节、不
华中科技大学 2021-04-14
烟气黑度及大气污染联网视频监测系统
烟气黑度和大气污染联网视频监测系统是城市环境监测管理系统的一个重要组成部分,它利用安装在城区制高点的前端摄像机及监控室的视频多媒体计算机和控制器实现的监控点的手动或自动检测。系统实现了每个摄像球80个预置点(摄像球机或解码器必须带预置位功能)的烟气排放林格曼指数自动监测功能,系统可以工作在手动模式和自动扫描模式。每个预置点都有各自的参考区域和自定义的图像属性(此功能需要VCXP-C20彩色字符叠加器的支持),通过扣除背景有效地降低了误报概率。 自动识别和扫描重点污染监控区域并监测大气
南京大学 2021-04-14
烟气黑度及大气污染联网视频监测系统
烟气黑度和大气污染联网视频监测系统是城市环境监测管理系统的一个重要组成部分,它利用安装在城区制高点的前端摄像机及监控室的视频多媒体计算机和控制器实现的监控点的手动或自动检测。系统实现了每个摄像球80个预置点(摄像球机或解码器必须带预置位功能)的烟气排放林格曼指数自动监测功能,系统可以工作在手动模式和自动扫描模式。每个预置点都有各自的参考区域和自定义的图像属性(此功能需要VCXP-C20彩色字符叠加器的支持),通过扣除背景有效地降低了误报概率。
南京大学 2021-04-14
中国科大在大气边界层研究方面取得重要进展
中国科学技术大学工程科学学院刘罗勤特任研究员在大气边界层的理论研究方面取得突破性进展,在国际上首次获得了适用于整个常规中性大气边界层的速度、风向、湍流剪切力预测的解析表达式,其结果与高精度数值模拟和大气观测数据符合一致。
中国科学技术大学 2022-06-02
揭示大气污染与糖尿病呈现正相关
研究表明,暴露于PM1,PM2.5,PM10,SO2,NO2和O3可能会对葡萄糖升高产生不利影响,包括葡萄糖和胰岛素浓度升高,从而增加中国糖尿病的发病风险。此外,年轻人和超重或肥胖者可能更容易受到空气污染的致糖尿病影响。与其他中等收入国家一样,由于高空气污染与中国的糖尿病大流行并存,研究结果对公共卫生具有重要意义。
中山大学 2021-04-13
廉价、高效的材料微、细观力学性能原位观察系统
对于各种颗粒、纤维增强复合材料,目前主要采用大规模的宏观力学实验寻找力学性能变化规律,进而为提高材料力学性能提供支持,实验繁杂,周期长,投入大。采用显微镜原位力学性能测试方法,对复合材料在各种外力作用下的破坏过程进行细观观测,有助于对填料、纤维的增强效果及其对复合材料力学性能的影响进行研究,进而探寻影响材料力学性能的主要因素,可大大节约开发成本,提高开发效率。但目前国内所具有的细观力学性能观测条件主要利用带有原位加载台的扫描电镜技术,该实验系统成本昂贵,国内仅有少数几家科研院所拥有此设备,主要适于科
北京理工大学 2021-01-12
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