Introduction to Nanoscience and Nanotechnology pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Raj, Rishi/ Agrawal, Dinesh C.

出品人:

页数:480

译者:

出版时间:2009-11

价格:$ 101.64

装帧:

isbn号码:9780123740359

丛书系列:

图书标签:

纳米科学
纳米技术
纳米材料
纳米尺度
材料科学
物理学
化学
工程学
生物纳米
应用纳米技术

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具体描述

Nanotechnology makes use of materials and systems at the scale of the atom: the nano-meter (one billionth of a meter). Exploiting advances in scientific measurement at that scale and the ability to manipulate material at that scale, scientists and engineers have found ever increasing uses for nano-sized metals, polymers, and ceramics to create new functional materials, better coatings, better fluid flow, and a host of other improvements to everyday components and manufactured goods and systems. And this is only the beginning. Within 10 years, it is projected that nano-science will enable us to have hand-held supercomputers, all ceramic internal combustion engines, backpack energy systems and more. This is the first-ever, true introductory textbook on the essential fundamentals that comprise what nanoscience is all about. Covering the physics, chemistry, and engineering applications of the more widely studied types of nano-scale materials and processes, this text can be used in by a wide variety of courses and programs, from those offered in departments of physics and chemistry to those in mechanical, materials, chemical and electrical engineering. Broken into convenient modules, the instructor will find a good deal of flexibility in which specific topics to cover and to what depth. Ample end-of-chapter problems and exercises will help to reinforce the subjects learned and offer opportunities for further study. This title covers the fundamental physics and chemistry of a wide and representative class of nano-scale materials and processes, including molecular structures, macromolecular structures, and surfaces and interfaces. It explains such key concepts as self-assembly, chemical bonding, materials characterization techniques, and relevant quantum mechanics. It provides understanding of the processing and uses of thin films, nano particles, nanotubes and nanofibers, and nanocomposites. It gives students ample-end-of-chapter problems and exercises.

深入探索复杂系统的奥秘：当代物理学与工程学的交叉前沿本书旨在为寻求跨学科理解和前沿知识的读者提供一份详尽的指南，聚焦于那些支配我们宇宙宏观和微观尺度的基本原理，以及它们在现代工程技术中的突破性应用。我们不关注纳米尺度的材料构建，而是将视野投向更宏大、更具结构性的复杂系统，探究其涌现特性、动力学行为以及在信息、能源和生命科学等领域的深刻影响。本书的结构设计旨在引导读者从坚实的理论基础出发，逐步深入到当前物理学和应用科学中最具活力和挑战性的领域。内容覆盖广度与深度兼具，力求在严谨的数学描述与直观的物理图像之间取得完美平衡。 --- 第一部分：经典与现代物理学的基石重塑本部分将回顾并拓展那些构成现代科学理解框架的经典理论，同时引入20世纪以来对实在认识产生根本性变革的现代物理学概念。重点在于理解系统在不同尺度下的行为转变。第一章：连续介质与场论的再审视本章将详细剖克拉姆-科斯泰洛夫（Kramers-Kronig）关系在光与物质相互作用中的应用，重点分析宏观介质中的电磁波传播、色散和吸收现象。我们将深入探讨非线性光学的起源，特别是拉曼散射和布里渊散射的微观机制，以及它们如何影响激光与复杂材料（如晶体和高分子矩阵）的耦合。此外，还会涉及弹性波在非均匀介质中的散射理论，为后续讨论结构工程中的振动分析奠定基础。本章的数学工具侧重于偏微分方程的解析解法和近似扰动理论。第二章：统计物理学的宏观涌现我们不会停留在理想气体模型，而是将精力集中于临界现象与重整化群理论。本章将详细阐述朗道（Landau）的平均场理论及其局限性，进而引入Kadanoff的重整化群思想，用以精确描述二阶相变的普适性（Universality）。读者将学习如何利用重整化群流来确定系统的固定点（Fixed Points）和关键指数（Critical Exponents）。应用方面，我们将探讨磁性材料（如伊辛模型和XY模型）在低温下的磁化转变，以及流体在临界点附近的密度关联函数的行为。第三章：量子场论的非微扰视角本章将量子力学的基本原理提升至场论的框架。重点探讨规范场论（Gauge Theories）的基本概念，特别是电磁相互作用的量子电动力学（QED）基础，但我们将着重讨论其在凝聚态系统中的低能有效场论描述，例如拓扑绝缘体中的边缘态（Edge States）是如何通过Chern-Simons理论来有效描述的。我们将分析Berry相位及其在几何相位（Geometric Phase）中的重要性，这对于理解贝利曲率（Berry Curvature）驱动的霍尔效应至关重要。 --- 第二部分：复杂系统的动力学与混沌本部分关注由大量相互作用粒子或变量构成的系统所展现出的非线性、不可预测和自组织特性，强调时间演化和不稳定性。第四章：非线性动力学与混沌的几何学本章将系统介绍动力学系统理论，核心概念包括相空间、李雅普诺夫指数（Lyapunov Exponents）的计算与物理意义，以及庞加莱截面（Poincaré Sections）在识别周期性和混沌行为中的作用。我们将深入分析洛伦兹吸引子（Lorenz Attractor）的生成机制，并将其推广到更一般的高维系统。重点内容包括周期倍增分支（Period-Doubling Bifurcations）到混沌的过渡路径，以及“混沌中的有序”——混沌同步（Chaos Synchronization）的理论基础。第五章：耗散系统与耗散结构超越哈密顿系统，本章探讨在开放系统中，如何通过能量或物质的交换维持远非平衡的稳定结构。我们将聚焦于普里高津（Prigogine）的不可逆过程的热力学，特别是最小熵产生原理在稳态附近的适用性。应用案例将侧重于生物物理学中的化学振荡器（如Belousov–Zhabotinsky反应）和激光腔内的不稳定性。本章将分析耗散系统如何自发地形成耗散结构（Dissipative Structures），展现出宏观有序性。第六章：网络科学与信息流将视角从连续系统转向离散的相互作用结构。本章详细介绍复杂网络理论，包括无标度网络（Scale-Free Networks，如无标度度的幂律分布）和小世界网络（Small-World Networks）的构建模型（如Barabási-Albert模型和Watts-Strogatz模型）。我们将分析信息、疾病或故障在这些网络中的传播动力学（如SIR模型在复杂网络上的演化）。此外，本章还将探讨网络拓扑结构对系统鲁棒性（Robustness）和效率（Efficiency）的决定性影响。 --- 第三部分：跨尺度耦合与应用前沿本部分将前两部分的理论工具应用于当前工程、能源和环境科学中最具挑战性的耦合问题，重点在于跨尺度的信息传递和能量转换效率。第七章：多尺度建模与计算方法有效的跨尺度分析依赖于精确的数值模拟和适当的降阶模型。本章将介绍粗粒化（Coarse-Graining）方法，例如多尺度耦合算法（Coupling Schemes）在流体力学和材料模拟中的应用，如何将原子尺度的分子动力学（MD）结果传递给介观的有限元分析（FEM）。我们将重点讨论多尺度熵的概念，用于量化不同尺度描述之间信息损失的程度，并探讨变分方法在构建高精度有效势能面中的作用。第八章：能源转换中的界面物理本章聚焦于宏观能源系统（如太阳能电池、燃料电池）的效率瓶颈，这些瓶颈往往根植于微米和亚微米尺度的界面物理过程。我们将详细分析电荷分离与传输的界面势垒效应，特别是半导体结或电解质/电极界面的双电层结构。内容将涵盖光伏效应中的激子（Exciton）动力学、电催化反应中的表面吸附能调控，以及如何利用界面工程来最小化热损失和电荷复合。第九章：湍流与复杂流场控制湍流是经典流体力学中最难精确描述的复杂现象之一。本章不试图提供直接的解析解，而是深入研究湍流统计理论，包括Kolmogorov的5/3律及其在非均匀流动中的修正。重点是大涡模拟（LES）的理论框架，如何通过亚网格尺度（Subgrid Scale, SGS）模型来捕捉未解析的能量耗散。应用部分将探讨主动与被动流场控制技术，例如通过设置边界层微扰来延迟或抑制湍流的产生，以优化航空航天和管道输送的能效。 --- 总结：本书的最终目标是培养读者对复杂系统思维的深刻理解——即宏观现象往往不是简单微观规律的线性叠加，而是由内在的非线性相互作用和反馈机制所“涌现”出来的。通过对非线性动力学、统计涨落和网络结构的系统性考察，读者将获得分析和设计下一代复杂工程与科学挑战的必要工具箱。本书适合高年级本科生、研究生以及希望拓展知识边界的专业研究人员。