探索微纳尺度润湿动力学:长针式原子力显微镜的应用与进展

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的精准操控和小尺度力学测量等优势,结合长针式探针组装成的微流变计可以直接测量气-液-固三相接触线上的毛细力,并监测探针在垂直方向运动中力的动态变化.通过该技术手段,可以实现对流体界面的动力学行为以及各类材料在液体环境中力学性质在微纳尺度的精确表征.文章将系统介绍长针式原子力显微镜技术的实验原理和方法,及其在微纳尺度非理想界面润湿动力学中的最新研究进展,包括低能垒表面毛细力的速度依赖性与非对称性、无序粗糙表面接触线黏滑运动的统计学规律、柔性表面接触线动力学的状态与速度定律、以及离子液体-金属界面处电场对接触角迟滞的调控等,最后展望了该技术在新兴领域中的应用.该实验手段为检验各类理论模型与数值模拟提供了可信数据,为探究界面上复杂现象的物理本质提供参考.

微纳气体流动中动量协调系数的分子动力学模拟

协调系数反映气体与壁面动量和能量交换规律,获得准确的协调系数以及明晰影响协调系数的因素十分重要.使用分子动力学方法提出了一种协调系数的统计方法,在等温泊肃叶流动中,探讨了不同温度及流速下切向和法向动量协调系数的变化规律.结果表明,切向动量协调系数对温度敏感,随着温度的上升其值逐渐减小并趋向于稳定,而流速不同时变化不大;法向动量协调系数受温度和流速影响很小,在等温流动中趋向于1.

基于微纳结构的舰船仿生流体力学研究

近些年,随着微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)和纳米技术的飞速发展,微纳尺度流体流动规律已成为研究人员关注的重要课题。微通道中流体流动的速度滑移对于流体流动有着非常重要的影响,文中主要研究了液体在微通道流动,通道直径、表面形状以及微纳结构对速度滑移的影响,并进一步分析微纳尺度下的流动机制及阻力性质,最终构建了一种特殊的仿生表面结构,希望能将其运用于舰船外表面,以达到减摩降阻效果。

微流控芯片技术在血细胞变形和流动性分析研究中的应用进展

近年来,随着微流控芯片技术的快速发展,微流控芯片在生物医学研究领域得到了广泛关注。由于其具有高通量、高灵敏度、集成化、低消耗及可控化等诸多特点,为在多细胞水平研究细胞迁移和分选动力学提供了新的技术平台。利用微流控芯片微通道结构设计灵活的特点,可在实验条件下模拟正常的生理和病理条件下的复杂血管;其微米尺寸的微通道也适于单细胞引入、操纵及检测。因此,用微流控芯片技术在单细胞层面对细胞生物力学性能表征也引起了广泛关注。以健康和疾病中的血细胞为例,从单细胞变形、流动、黏附、机械疲劳等力学性能表征到多细胞迁移及分离动力学等方面归纳目前微流控芯片技术在细胞力学分析和表征方面的研究进展。

复杂流动与流体行为的拟颗粒模拟

复杂流动和流体行为中的多尺度结构对化学工程的理论和应用研究都是巨大的挑战。多尺度的粒子模拟是处理复杂界面、物性以及连续介质模型难以适用的纳微和极端条件下流动的有力手段之一。本文将重点介绍本实验室近年来以拟颗粒模拟为基础的微观粒子模拟研究及其在流态化和纳微流动中的应用,并在此基础上探索离散模拟通用化的可行性。

限域流动空间内固液边界滑移的临界尺度与作用规律

固液边界的滑移现象成为微纳流动系统中不可忽略的因素。为了揭示固液边界滑移规律对流动行为的影响及其临界尺度效应,应用ANSYS软件建立同轴旋转圆柱体间不可压缩液体的物理模型;在层流模式下,采用不同边界条件分析不同旋转速度下微纳间隙区域内液体的流动特性。结果表明:无滑移边界条件下,微间隙的流场速度分布曲线存在0.7 mm的临界间隙尺寸;有滑移边界条件下,外圆筒壁面滑移对系统阻力矩的影响存在尺寸效应,内圆筒壁面滑移对系统阻力矩有明显作用,但无尺寸效应。

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

作为微纳尺度的力学工具,原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究,推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针,原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量,研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法,以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用,分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响,并对该领域的发展进行了展望。

纳米颗粒在复杂生物介质中的反常扩散

由于生物微环境中存在各向异性等复杂物理因素影响,纳米颗粒在其中的扩散运动表现出反常的特征.反常扩散与生物微环境的功能实现有重要的关联,同时也是流体力学在微纳尺度方向的重要扩展.该综述系统介绍了近年来反常扩散研究的进展,从物理模型、数值模拟、测量方法及实验现象等方面揭示了纳米颗粒在复杂生物介质中的反常扩散机理及特征.该问题在微纳尺度流体力学、生物物理等领域是研究的热点,在理论上和实验时仍有重大挑战,有待进一步深入研究.