纸币表面细菌的粘附力学建模研究

论文摘要

随着社会生产、生活和建设的不断改善和人类物质、精神文明的不断提高,产生了一系列的环境问题,其中以细菌、病毒等微生物对人类的健康威胁越来越大。医学研究证明纸币不仅是许多疾病传播的载体,也是引起许多疾病的罪魁祸首。而且,人们的健康意识也在不断加强,对周围环境的健康性、安全性要求也越来越高。纸币作为人民日常生活中的必需品,纸币消毒成为人们关注的对象。要想解决纸币消毒的问题,对细菌粘附、清除和预防方面的研究就显得十分重要。要解决细菌的粘附问题,首先要清楚细菌在纸币表面的粘附机理,细菌的粘附机理是解决细菌粘附问题的理论和基础。论文的主要研究内容和结论如下：（1）通过检索国内外细菌粘附力学大量文献,对这些研究成果进行了总结和相关分析,以此为基础,提出了细菌粘附研究的发展方向和需要做的工作。（2）全面总结和分析了细菌在纸币表面的分布情况,纸币表面的细菌量随着季节变化明显,同时与纸币面值的大小也有关系。通过电镜观察,纸币表面粗糙度与细菌粘附量呈正相关。细菌在纸币表面粘附受多种因素影响,包括：细菌本身、外界环境、纸币表面的情况等,所以在研究粘附力时候要综合考虑多种因素的影响。（3）较全面的总结和分析了目前细菌粘附表面的力学机理研究成果。在细菌的粘附过程中,分为特异性粘附和非特异性粘附,其中范德华力是普遍存在的粘附力,其他力都是在一定条件情况下存在的。在粘附过程中还存在静电力、毛细作用力、细菌特殊结构产生的作用力、氢键力、化学键力；细菌的细胞结构、纸币表面的情况和外界环境因素都能影响到细菌的粘附。（4）利用MATLAB可视化软件对几种典型的粘附力进行可视化模拟,加深了对模型的认识和分析。直观显示了各个参数、变量的变化情况,以及对粘附的影响。在细菌与纸币的粘附过程中,当细菌与纸币的距离减小到2×10-7m时,范德华力作用急剧增大,当接触的突起部分半径r<2×10-9m时,粗糙度增加,范德华力增大的速度变大。并且,在nm量级,静电力要比范德华力大2个数量级到3个数量级。毛细作用力比静电力也大2个数量级左右。（5）研究构造了细菌的实体模型。运用ANSYS软件进行模拟,加载载荷进行力学分析,研究分析作用力在细菌细胞的分布情况和变化。这是一种探索性研究,结论的有效与适用性尚不可知,但作为一种尝试是有一定的价值作用的,为更深层次和广泛研究提供一定借鉴。（6）运用ANSYS软件对细菌的模拟进行了模拟和分析,细胞模型内的应力分布及传递规律是：随着位移的施加,应力沿细胞中心轴传播并同时向其周围传播,但从向周围传播的速度比较慢。由于外在载荷的存在和细胞质的流动,对细胞壁产生内压,由此而发生一些应力分布的变化。而且随着载荷的施加,垂直于载荷加载方向的应力分布情况要比载荷加载方向的应力分布变化要明显。（7）通过对前面的研究,能够对细菌在纸币表面的粘附及力学情况有全面的了解,使人们在使用纸币的时候能够注意到健康、安全的使用方式,同时对于纸币的杀菌消毒有重要的意义,也为纸质类物品（图书、包装袋等）的杀菌问题提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.1.1 课题提出的背景
• 1.1.2 课题提出的目的及意义
• 1.2 国内外纸币表面细菌粘附的研究现状
• 1.2.1 近几年该领域的研究成果检索结果及结果分析
• 1.2.2 细胞粘附的相关研究
• 1.2.3 细菌粘附机制的相关研究
• 1.3 细菌力学模拟研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 细菌在纸币表面的粘附分析
• 2.1 纸币表面的细菌
• 2.1.1 细菌简介
• 2.1.2 纸币表面的细菌数量
• 2.2 细菌的粘附机制
• 2.2.1 纸币表面细菌的粘附状态
• 2.2.2 细菌粘附机制
• 2.3 影响细菌表面粘附的各种因素
• 2.3.1 纸币表面结构的影响
• 2.3.2 细菌自身的影响
• 2.3.3 外界环境的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 细菌在纸币表面粘附的力学分析
• 3.1 细菌自身的力学分析
• 3.2 细菌细胞自身产生的力
• 3.2.1 生物纤丝产生的力
• 3.2.2 分子马达产生的力
• 3.3 细菌细胞与纸币接触过程中产生的作用力
• 3.3.1 范德华力
• 3.3.2 静电力
• 3.3.3 毛细作用力
• 3.3.4 鞭毛、菌毛产生的辅助作用
• 3.3.5 氢键力
• 3.3.6 细菌粘附力学总结
• 3.4 本章小结
• 第四章 细菌粘附的力学模型可视化
• 4.1 MATLAB软件
• 4.2 各种粘附力学模型的可视化
• 4.2.1 范德华力
• 4.2.2 静电力
• 4.2.3 毛细作用力
• 4.3 本章小结
• 第五章 细菌粘附的力学模拟
• 5.1 细菌粘附的基础
• 5.1.1 ANSYS软件
• 5.1.2 细胞力学建模的基本假设
• 5.2 模型的物理关系
• 5.2.1 Hertz理论
• 5.2.2 JKR理论
• 5.2.3 超弹性材料
• 5.2.4 Mooney-Rivlin超弹性材料
• 5.3 细菌细胞力学模型及参数选择
• 5.4 有限元模型的建立
• 5.4.1 细菌细胞与纸币接触的模型建立
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 关于减少细菌粘附的措施探讨
• 6.1 纸币杀菌的方法探讨
• 6.2 健康、安全的钱币使用方法
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 问题和展望
• 参考文献
• 附录：实验图片
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果