液体毛细力驱动的微纳组装技术的研究进展

液体毛细力驱动下的微纳组装技术可以实现胶体颗粒、纤维、薄膜和芯片等微型结构的定向运输与自组装。基于毛细力的自组装技术研究涉及多学科交叉,对微纳芯片装配、纳米材料制备和大分子聚合物制备等领域的发展有重要意义。从理论和实验两方面综述了近年来毛细力自组装技术的研究重点,介绍了毛细力和液气界面形态学的研究模型;从组装对象的结构维度、材料的刚柔特性方面分析了毛细力自组装技术的特点和组装方法,并指出结构间距、材料性质、三相接触线形状、接触角、润湿性差异和液体体积等因素对自组装的影响。最后总结了毛细力自组装技术的优缺点以及应用中存在的问题,展望了未来微纳组装技术的研究重点。

毛细力比对环形液池内耦合热-溶质对流的影响

为了了解毛细力比R_σ对耦合热溶质毛细对流的影响,对深宽比为0.15的环形浅液池内双组分溶液耦合热-溶质毛细对流进行了三维数值模拟。液池内、外壁分别维持恒定温度和浓度,工质为甲苯/正己烷混合溶液,Prandtl数为5.54,Lewis数为25.8。结果表明,当热毛细Reynolds(ReT)数较小时,耦合热-溶质毛细对流为三维稳态流动,当ReT数超过临界值后,流动将转变为三维周期性振荡流动;在计算范围内(-1≤R_σ≤0),随着毛细力比的增加,流动失稳的临界Re_T数会逐渐减小。

基于亚稳态液膜空化的长程疏水力作用机制

疏水力作为胶体物理化学及生物大分子体系中重要作用力,具有典型的多尺度作用程特征,其中亚稳态液膜空化气泡桥接诱发长程疏水力和固液界面水分子重排熵效应诱导短程疏水力假说占据着当前学术主流,但仍缺少系统理论研究.为进一步阐明基于亚稳态液膜空化的长程疏水力作用机制,借助原子力显微镜(AFM)及分子动力学模拟对全氟辛基三氯硅烷疏水化颗粒与表面间长程疏水力进行了系统研究.AFM力测试结果表明:长程疏水力作用程随接近次数增加而逐渐增大并逐渐趋于稳定,第十次接触时进针曲线跳入黏附距离达到502.01 nm,退针曲线中观察到了预示空化气泡毛细桥断裂的台阶.此外,发现经典毛细力数学模型可以较好地拟合进针曲线,通过计算得到毛细桥体积约为0.30μm^(3),从理论角度直接验证了亚稳态液膜空化气泡毛细桥的存在.进一步借助GROM ACS(GROningen M A chine for Chemical Simulations)大尺度牵引分子动力学模拟从分子尺度探索疏水颗粒分离过程中空化气泡毛细桥产生、演化过程与力学行为的内在关联机制,结果表明:疏水颗粒从基板表面跳出分离瞬间,产生的局部压降吸引氮气分子向液膜内部扩散从而形成空化气泡毛细桥,同时,在毛细桥断裂时刻在计算弹簧势力曲线中观察到了力跳跃行为.最后研究了溶液气体含量对长程疏水力的影响规律,发现气体分子含量和空化气泡毛细桥体积增长速率与毛细桥拉伸断裂长度呈现正相关关系,进一步表明了长程疏水力的气体浓度依赖效应.基于亚稳态液膜空化的长程疏水力作用机制的揭示有助于进一步完善胶体物理化学及生物大分子间相互作用理论体系,同时对调控实际矿物浮选过程具有重要指导意义.

粗颗粒间液桥毛细力演化规律的动态计算方法

水力特性是非饱和土力学理论与工程的重要课题之一,土样水力特性的变化过程本质上可反映为土颗粒间毛细力的演化规律。为此,以粗颗粒为研究对象,将其简化为一对不等径球体颗粒,而其间的水分形态可视为形如圆环的液桥,不考虑颗粒重力和浮力的影响。以Young-Laplace方程为基础,先推得计算液桥毛细力的控制方程组,再结合液桥的无量纲体积最大、最小值及其外曲率半径的割线迭代算法提出求解毛细力的动态计算方法,进而研究毛细力与颗粒间距、颗粒半径比和液桥体积的无量纲关系,结果表明:当颗粒间距一定时,液桥的毛细力随其体积和颗粒半径比增大均呈递增趋势;当液桥体积一定时,其抗拉刚度随颗粒间距增大呈递减趋势。最后,利用已有文献中液桥毛细力与颗粒间距的实测关系,验证了该动态计算方法在表征液桥从形成至断裂时毛细力演化规律的有效性。

黏土颗粒间液桥从形成至断裂时毛细力的演化规律

通过土颗粒间形如液桥的水分毛细力认识和解释非饱和土的持水特性日趋为土力学界所关注。为研究黏土颗粒间液桥毛细力的演化规律,将黏土颗粒其简化为一对平行的片状颗粒,不考虑黏土颗粒表面的粗糙度。以Young-Laplace方程为基础,推得表征黏土颗粒间液桥毛细力关于固-液接触角和液桥体积的无量纲表达式;再令该无量纲表达式为0,绘制出固-液接触角与无量纲液桥体积的关系曲线,将1/3<vLB<1范围划分为液桥的断裂区、形成区和消失区,这种分区方法对描述黏土样在毛细阶段和吸附阶段的持水特性至关重要。最后,分析了液桥形成时毛细力与液桥体积和固-液接触角的关系,结果表明:当固-液接触角一定时,液桥的毛细力随其体积增大呈递增趋势,而当液桥体积一定时,其毛细力随固-液接触角增大呈先增后减的趋势。

原子力显微镜中等容液桥的毛细力分析

用表界面热力学方法和力学方法研究了原子力显微镜中等容液桥的毛细力和液桥的断裂能,对这两种方法进行了对比分析.对液桥分析中圆弧近似的适用性进行了讨论,对轻敲模式下的能量耗散进行了分析,指出液桥断裂引起的能量耗散是引起相位变化的主要因素,另外还指出了接触角滞后效应对毛细力和断裂能的影响.模型分析对原子力显微镜轻敲模式下成像机理的理解以及力曲线测量分析有一定的参考价值.

疏水表面冷凝的毛细力微操作液滴动态分配

为实现毛细力操作液滴获取,提出基于疏水表面冷凝的毛细力微操作液滴分配方法,研究微对象转移进程中(拾取-释放)所需的操作液滴条件.针对操作液滴分配任务,建立液桥拉伸进程中的模型.基于VOF(volume of fluid)方法,建立平面-平面、平面-球面配置模式下的动态模型,分析操作液滴的动态获取过程.仿真结果表明:接触角和提升速度均对辅助液滴的获取率和断裂距离起到重要作用,液滴趋向于接触角小的端面,提升速度可促使液滴在两平面均分.液桥体积对辅助液滴获取率的影响较小,液桥断裂距离与液桥体积成正比变化.实验研究了平面-平面、平面-球面配置下的操作液滴动态分配进程,验证了所提出方法的可行性.

毛细力辅助飞秒激光直写制备各向异性及多级结构

将飞秒激光双光子聚合加工技术和毛细力诱导自组装技术相结合实现了各向异性结构和多级结构的制备。首先,使用飞秒激光双光子加工技术加工出微柱阵列,将微柱置于显影液中显影,然后放置在空气中。在显影液蒸发的过程中,微柱结构单元受到毛细力的作用而弯曲实现自组装。通过控制微柱的高度和直径的不一致性实现了两种各向异性结构制备方法,并成功制备了底层微柱直径分别为2μm和6μm双层结构。由于毛细力的大小和微柱高度无关,且同样端部变形量下较高微柱的弹性回复力小于较低微柱的弹性回复力,更易发生弯曲;直径较大的微柱具有更强的抗弯曲能力,从而引导直径较小的微柱向较大的微柱倾斜,藉此制备了各向异性结构。使用毛细力自组装辅助飞秒激光微纳加工可以实现灵活可控的复杂3D结构的加工,并将在生物医药、化学分析、微流体等领域发挥重要作用。

考虑颗粒粒径和液桥体积的毛细力计算方法

土坝在非饱和渗流作用下的变形过程与湿颗粒间的细观毛细黏聚作用密切相关,因此对湿颗粒间形如液桥的水分的毛细力进行计算分析有助于认识这种作用机理。从颗粒粒径和液桥体积出发,将湿颗粒简化为不等径球体颗粒,先结合其间液桥的几何特征构建了Young-Laplace方程数值解的数据组。其次,将固-液接触角θ≤20°范围内的小体积液桥(V^(*)_(LB)≤1×10^(-3))表面形状假定为椭圆弧,依据颗粒等效半径推得液桥断裂距离及其毛细力关于液桥体积和颗粒间距的解析公式,并采用已有文献中不等径球体颗粒间小体积液桥的毛细力实测值验证了解析公式的有效性。再次,依据液桥体积变化更广范围内Young-Laplace方程数值解的数据组,引入颗粒半径比构建了适用于大体积液桥(V^(*)_(LB)>1×10^(-3))的断裂距离拟合公式,并将其嵌入已有不等径湿颗粒间液桥的毛细力拟合公式中进行改进。最后,采用Young-Laplace方程数值解的数据组评价了已有的与改进的毛细力拟合公式适用性,通过对比预测误差发现:改进公式对半径比在1~128范围内的湿颗粒间不同体积液桥(V^(*)_(LB)≤0.13)在固-液接触角θ≤40°且颗粒间距不超过液桥断裂距离范围内的毛细力预测效果优于已有公式。将本文提出的毛细力计算方法嵌入典型湿颗粒材料的微细观弹塑性本构模型时,可用于水位骤降时土坝的变形分析及其稳定性评价。

饱和蒸发和热毛细力作用下低雷诺数液膜在波纹竖壁上的流动

考虑表面蒸发压力和热毛细力作用情况下,对饱和蒸发状态下低雷诺数自由降落液膜在小波幅正弦型波纹壁面上的流动进行理论分析。对控制微分方程及边界条件进行量纲一化并引入流函数,对微分方程及边界条件进行摄动展开,得到了这种情况下液膜流动的简化分析模型,求出了近似解析解。讨论了壁面波纹、表面张力、蒸发压力、热毛细力对液膜流动的影响。研究表明:液膜的波动幅度随蒸发强度和热毛细力的增大而增大;液膜波动与壁面波纹的相位差随蒸发强度增大而增大,随热毛细力增大而减小。

计及毛细力作用时旋转式MEMS/NEMS致动器的吸合稳定性

建立旋转式MEMS/NEMS(micro-or nano-electro-mechanical system)致动器的单自由度力学模型,研究毛细力对该类致动器吸合时的临界倾角以及临界电压的影响。得到临界倾角随结构特征尺寸的变化曲线,并对临界电压进行修正。研究没有外加电压引起的静电力作用时,旋转式MEMS/NEMS致动器在毛细力作用下的失稳现象,给出致动器的失稳准则,以及失稳时致动器的临界特征几何尺度。

基于显微视觉的毛细力动态检测方法

针对微操作进程中毛细力实时检测的需求,提出基于显微视觉的毛细力动态检测方法。通过Hough变换的微球对象定位和归一化的平方差相关性的操作工具跟踪方法获取实时位置信息,确定液桥兴趣区域。基于Shi-Tomasi角点检测的液桥端点识别方法提取液桥轮廓,并求解毛细力。搭建显微视觉测量装置,分析检测进程和检测精度。结果表明:平面-球面配置下的动态毛细力的平均检测精度为1.65μN,且可实时获取接触角、液桥体积等参数。

两球形颗粒间横向毛细力的格子Boltzmann研究

采用以Shan-Chen多组分模型为基础的格子Boltzmann-伪固体模型对两颗粒间的浮体和浸润横向毛细力展开数值模拟研究,其中流体-固体间的相互作用及颗粒润湿性质在介观层次上采用简单形式得以充分考虑.三维测试表明,与已有理论解相比,成功再现了横向毛细力与颗粒间距的"1/L"关系,并确认了浸润横向毛细力与表面张力间的线性关系.这表明可进一步应用该模型研究横向毛细力作用下的颗粒自聚集等现象.

轴向微槽结构平板热管毛细力表征及性能研究

通过设计并搭建实验平台,对几种不同槽道结构尺寸的轴向平板微槽热管进行了毛细力测试,分析了槽道形状尺寸、不同工质、表面改性等因素对微热管毛细力大小及其性能的影响。利用动态高度法对不同工况下的微热管槽道进行毛细力测试,通过试验分析来对微热管进行结构优化。结果表明,选用丙酮工质充液毛细现象最为明显;对于同一种类型微槽热管的槽道越深则毛细作用越明显;而对于Ω形槽道,因其结构不存在常见几何形状所具有的尖角区域,毛细作用仅优于浅矩形结构,但其结构可以大幅降低冷凝回流时所需的毛细驱动力,故传热性能很好;而低温等离子体改性后平板微热管的毛细力增大,进一步说明了微槽表面性能对毛细力大小的影响。

热管内烧结式多孔铜吸液芯的渗透率及毛细力的测量

热管内烧结式多孔铜吸液芯的毛细力和渗透率在热管的传热过程中起主要作用,决定了热管的传热效率,毛细力与渗透率的测量较困难。根据烧结式多孔铜吸液芯具有的毛细现象和压差的作用设计了毛细力的测量装置,成功计算出了毛细力的值;利用达西公式推导出渗透率的测量方法并设计渗透率的测量装置,用拟合曲线成功推导出烧结式多孔铜的渗透率值。并研究了烧结铜粉末尺寸(120~150μm、96~120μm、75~96μm、48~75μm、38~48μm)对烧结式多孔铜的毛细力和渗透率性能的影响,并结合微观形貌分析了粉末尺寸对烧结式多孔铜吸液芯的毛细力、渗透率性能的影响,粉末尺寸越小,多孔铜的毛细力越大、渗透率越小。

受限水平狭缝中液桥的形貌和毛细力计算

以拉普拉斯方程为理论基础建立液桥三维外观轮廓的理论模型,计算水平狭缝中液桥的形貌特征参数和毛细力.将理论计算结果与实验结果、有限元软件仿真结果对比,得到了很好的一致性,证明了该模型的正确有效性.计算结果表明扎钉角随着间距的增加而增大,毛细力的大小与狭缝的高度宽度比和接触角密切相关.此外详细分析了(受限空间)狭缝中液桥形貌随着间距的变化与(不受限空间)典型液桥模型形貌变化规律不同的原因.

电毛细力驱动纳米光刻成型技术原理分析

假设纳米光刻在理想条件下进行,无图形模板在电场中对聚合物进行流体动力学分析。通过控制变量法可得出电毛细力在宏观条件下的表现与光刻过程中产生电毛细力模板的各项参数有关,包括施加电压、聚合物相对介电常数、模板与聚合物之间的距离、聚合物的表面张力。实验分析了各项参数的改变对最不稳定波长的长度影响的相关关系。结果表明,结合实际工艺可以通过电毛细力驱动进行纳米光刻成型,通过控制各项参数可以控制成型的速度以及成型的效果。

湿度对液桥中毛细力和能量耗散的影响

原子力显微镜(AFM)在扫描图像过程中会产生赝像的重要因素是:在探针和基底表面接触过程中,两者之间会生成一种带有黏附力的结构,称之为液桥。在大气环境下,不同的湿度条件能够影响液桥的形成和断裂,而液桥的存在会使得原子力显微镜在扫描成像过程中,悬臂梁自由端的受力和能量产生变化,最终干扰扫描成像的质量。研究不同湿度对于针尖和基底之间的毛细力F_(max)、能量耗散η的影响,选择最佳的成像条件,可以提高AFM工作的准确性和可靠性。

脉冲激光作用Al_(2)O_(3)的表面形貌演变过程

激光表面加工是一种能够有效降低陶瓷材料表面粗糙度的方法,为了研究脉冲激光与陶瓷材料作用后表面形貌演变过程及激光工艺参数对表面粗糙度的影响,本文通过有限元法建立了瞬态二维轴对称数值模型,研究了单脉冲、多脉冲激光作用于氧化陶瓷表面形貌的演变过程及激光工艺参数对表面粗糙度的影响。结果表明:单脉冲激光对材料表面具有显著的平滑效果;多脉冲激光加工在脉冲2~3次时具有最好的平滑效果,继续增加脉冲数量,熔池内的表面轮廓开始向下凹陷,表面平滑效果减弱;采用不同工艺参数加工时,过大的频率、脉宽、激光功率都会导致材料表面粗糙度增加。当表面温度处于熔化温度与蒸发温度之间,熔池内流体以毛细力为主要驱动力,促使表面逐渐平滑;当表面温度超过蒸发温度时,熔池内流体受反冲压力挤压,促使表面粗糙。实验与模拟结果对比表明,该模型具有较高的准确性。

微通道中的毛细力驱动流研究

为分析微通道中接触角和入口压强对毛细力驱动流的影响,论文使用严格的有限元数值仿真方法研究了在仿生平板微通道中的毛细力驱动流。通过模拟微通道中的瞬态层流两相流,对恒定温度条件下的入口压强一定、不同接触角,和接触角一定、不同入口压强下的毛细力驱动流进行了仿真,得出了流体流动的速度场规律。论文对微通道中的毛细力研究和实验中的毛细力现象具有一定的指导作用。