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ナノメカニクスは、ナノメートルスケールの物理システムの基本的な機械的特性（弾性、熱、運動）を研究するナノサイエンスの一分野です。ナノメカニクスは、生物物理学、古典力学、固体物理学、統計力学、材料科学、量子化学の交差点で生まれました。ナノサイエンスの一分野として、ナノメカニクスはナノテクノロジーの科学的基礎を提供します。
ナノメカニクスは、弾性、熱、運動材料特性など、ナノスケールの物理システムの 基本的な機械的特性の研究と応用を扱うナノサイエンスの分野です。
多くの場合、ナノメカニクスはナノテクノロジーの一分野、すなわち人工ナノ構造およびナノシステム（重要なナノスケールのコンポーネントを持つシステム）の機械的特性に重点を置いた応用分野と見なされています。後者の例には、ナノマシン、ナノ粒子、ナノパウダー、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノリボン、ナノチューブ（カーボンナノチューブ（CNT）および窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）を含む）、ナノシェル、ナノメンブレン、ナノコーティング、ナノ複合材料/ナノ構造材料（ナノ粒子が分散した流体）、ナノモーターなどがあります。[要出典]
ナノメカニクスの確立された分野としては、ナノマテリアル、ナノトライボロジー（ナノスケールでの摩擦、摩耗、接触力学）、ナノ電気機械システム（NEMS）、ナノ流体工学などがあります。
基礎科学としてのナノメカニクスは、いくつかの経験的原理（基本観察）、すなわち一般的な力学原理と研究対象の物理的サイズの小ささから生じる特定の原理に基づいています。
一般的な力学原理には次のものが含まれます。
研究対象物が小さいため、ナノメカニクスでは以下のことも考慮されます。
これらの原理は、ナノメートル物体の新しい機械的特性に関する基本的な洞察を提供するのに役立ちます。新しいとは、これらの特性が同様のマクロスケールの物体には存在しないか、それらの特性と大きく異なるという意味で理解されます (例: ナノロッドと通常のマクロな梁構造)。特に、対象自体が小さいため、ナノ構造の表面積と体積の比率が高いことで決まるさまざまな表面効果が生じ、ナノ構造の機械エネルギー特性や熱特性 (融点、熱容量など) に影響します。離散性は、たとえば固体内の機械的波の分散や、小さなスケールでの基本的な弾性力学ソリューションの特別な動作の基本的な理由となります。自由度の多さと熱変動の増加は、ポテンシャル障壁を通過するナノ粒子の熱トンネル現象や、液体と固体の相互拡散の原因です。小ささと熱変動は、ナノ粒子のブラウン運動の基本的な理由です。ナノスケールでの熱変動と構成エントロピーの重要性の高まりにより、超弾性、エントロピー弾性（エントロピー力）、およびナノ構造のその他のエキゾチックなタイプの弾性が生じます。構成エントロピーの側面は、オープンナノシステムの自己組織化と協調動作の 文脈でも大きな関心を集めています。
量子効果は、物理的物体内の個々の原子間の相互作用の力を決定します。これは、原子間ポテンシャルと呼ばれる平均化された数学モデルによってナノメカニクスに導入されます。
古典的な多体力学における原子間ポテンシャルのその後の利用は、原子スケール/解像度でのナノ構造およびシステムの決定論的な機械モデルを提供します。これらのモデルを解く数値的方法は分子動力学(MD)と呼ばれ、時には分子力学(特に、静的に平衡化された (静止) モデルに関連して) と呼ばれます。非決定論的な数値的アプローチには、モンテカルロ、運動学的モアカルロ (KMC)、およびその他の方法が含まれます。現代の数値ツールには、単一の数学モデル内で原子スケールの方法 (通常は MD) と連続体 (マクロ) スケールの方法 (通常は電界放出顕微鏡 法) を同時または順次利用できるハイブリッドマルチスケールアプローチも含まれます。これらの複雑な方法の開発は、応用力学研究 の別の主題です。
量子効果はナノ構造の新しい電気的、光学的、化学的特性も決定するため、ナノエレクトロニクス、先進エネルギーシステム、ナノバイオテクノロジーなど、ナノサイエンスやナノテクノロジーの隣接分野でさらに大きな注目を集めています。
参照
参考文献
- Sattler KD. ナノ物理学ハンドブック: 第1巻 原理と方法。CRC Press、2011年。
- Bhushan B (編集者)。Springer Handbook of Nanotechnology、第 2 版。Springer、2007 年。
- Liu WK、Karpov EG、Park HS。ナノメカニクスと材料：理論、マルチスケール手法とアプリケーション。Wiley、2006 年。
- Cleland AN. ナノメカニクスの基礎. Springer, 2003.
- Valeh I. Bakhshali。ナノメカニクスとその応用：材料の機械的特性。エンジニアリング、テクノロジー、マネジメントに関する国際電子会議 - ICETM 2020。