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纳微系统中表面效应的物理力学研究(1)
    时间:2015-10-21     点击率:20743

编者按:中国科学院力学研究所赵亚溥研究团队的研究成果“纳微系统中表面效应的物理力学研究”获得了2014年度国家自然科学奖二等奖。我们在此表示祝贺,并用科普的方式介绍相关研究的内涵。 

赵亚溥研究员团队在人民大会堂的颁奖大会上

 (图中左起:郭建刚、林文惠、赵亚溥、张吟、袁泉子) 

纳微系统中表面效应的物理力学研究(1 

兴起于20世纪80年代的纳微系统科技,不但对航空航天、电子信息、新型材料、能源环境、生物医疗、先进制造以及国防安全等诸多领域产生了重要影响,而且为力学学科的发展注入了新的活力。由于对于经济和社会发展所具有的巨大作用和潜在能力,纳微系统科技是全球科技界关注的一个焦点,已经成为21世纪前沿科学技术的代表领域之一,并从20世纪90年代就开始了产业化进程。纳微系统科技的产业发展水平决定着一个国家在世界经济中的地位,所以世界各国,尤其是科技强国,都把发展纳微米技术作为国家战略。我们国家也一直在努力增强纳微系统科技领域的竞争力,以期占领世界纳微米技术发展的制高点。纳微米技术的小尺度特点及竞争的激烈程度决定了其基础研究、应用研究、产品研制和市场开发必须保持并举进行的策略。

这里,“纳微系统”这个术语中的“纳”和“微”分别代表“纳米”和“微米”。大家知道,纳米(nanometer)是一个长度单位,等于十亿分之一米,一般用nm表示;而微米(micrometer)也是一个长度单位,等于百万分之一米,一般用μm表示。显然,1微米等于1000纳米(1μm=1000nm)。如果要给出一点直观概念,那么可以告诉大家:一根头发丝的直径约为70100微米,细菌的大小约为1微米~2微米,烟尘的微粒直径不到1微米,而病毒通常只有0.25微米左右。所以,纳微系统把我们带进了介于“宏观”与“微观”之间的“介观”世界。

纳微系统科技是在纳米尺度0.1-100 nm)及微米尺度(1-100μm)范围上研究物质的特性和相互作用,以及应用这些特性的一门科学与技术(设计、制造,测量、控制和产品)。从技术层面来讲,它主要包括纳微米粒子和纳微米材料的制备技术;纳微米组装技术;纳微米级加工技术;纳微米级测量技术;纳微米级表层物理力学性能及其检测技术等,其最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品或装置。这类产品或装置就常常被称为“纳微系统”(NEMS/MEMS),人们亦将其中的MEMS具体称之为“微电子机械系统”(microelectromechamical systems),或叫做“微机电系统”。

微机电系统MEMS是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源(微能源)、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。这是一个独立的智能系统,可大批量生产,其系统尺寸在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。常见的产品包括微加速度计、微马达、微泵、微振子、微光学开关、微流控器件、微陀螺仪、微生化分析系统等等以及它们的集成产品。显然,MEMS涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域,它涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等多种现象及其耦合效应。 

与宏观的机械系统有所不同,纳微系统具有小尺度的特点,导致它们拥有很大的“比表面积”,表面界面效应在纳微系统中起着重要的作用。而传统的宏观连续介质力学对这类问题研究不足,因此严重地制约着纳微系统产业的发展。赵亚溥研究团队紧密结合国家在纳微技术领域的重大需求和力学学科的国际学术前沿,选择下列纳微制造产业界广泛关注的共性问题开展了有成效研究工作:电弹性毛细动力学,分子间力所引起的吸合、黏附,表面应力的起源及其在相关器件中的应用等。通过十余年的努力与积累,他们取得了若干具有原创性的成果,对于纳微系统的相关力学设计提供了重要参考,引领和推动了纳微系统表面力学行为及相关领域的研究和发展。

赵亚溥团队的研究属于交叉学科领域,相关成果发表在国际物理和化学类最高学术刊物《物理评论快报 (PRL)》、《美国化学会志 (JACS)》、国际MEMS领域顶级期刊以及力学重要期刊上。赵亚溥研究员曾多次在国际相关领域学术会议上做大会特邀报告。中国科学院/工程院、美国科学院/工程院、英国皇家学会、俄罗斯科学院、荷兰皇家科学院等十余位院士曾数十次大篇幅地引用或进一步发展该研究团队的相关工作。作为上述成果的结晶,赵亚溥研究员已经出版了《表面与界面物理力学》和《纳米与介观力学》等两部学术专著,最近又获得了2014年度国家自然科学二等奖。

本文将从四个方面对他们的研究成果做简要的说明,这里先介绍第一部分,即“电弹性毛细 (Electro-Elasto-Capillarity, EEC)”新概念的提出。 

弹性毛细 (Electro-Elasto-Capillarity, EEC)”新概念 

从技术应用来说,电润湿是纳微系统中液体输运的最主要手段之一;从学科研究来看,电润湿是固-液界面动力学的典型问题之一。赵亚溥研究员在国际上首次提出了“电弹性毛细(EEC)”的新概念,并通过施加电场实现了液滴的解包覆,揭示了液滴前驱膜和弹性结构的相互作用的新机制。在研究中,联合应用分子动理论MKT)、分子动力学(MD)和实验研究三种手段,从多尺度角度,探索了电润湿中前驱膜铺展的动态规律和标度律,这里要涉及基底的亲疏水特性。这些研究结果不仅可以作为电场下移动接触线问题中基本难题“Huh-Scriven 佯谬”的第一个解答,而且成为纳微系统驱动方式的一种突破。

当然,这篇短文不可能说明上述电润湿研究成果的全部科学内涵,这里只能大体解释一下若干基本概念:液滴铺展,润湿,亲疏水,前驱膜,毛细力,电湿润,电弹性毛细。

1.1给出液滴在固体表面上铺展的图示。可以看到,当一个小液滴被释放到固体表面时,一般情况下液滴会铺展开来,也就是说,固/液界面会逐步取代原来的固/气界面。这时固体表面就被液体“润湿”了。如果液体能自发地铺展,此过程便称为“完全润湿”;如果根本不发生铺展,液滴在固体表面上仍保持圆球形状,则称之为“不润湿”;实际情况中,往往是“部分润湿”,即固体表面上的液体以液滴形式存在并具有一个平衡形状。这时,按照液相和固相之间的接触角θ(参见图1.2),我们可以定义固体表面特性为“亲水”(θ< 90°)或“疏水”(θ> 90°)。 

1.1 液滴在固体表面上的铺展

1.2 固体表面的亲疏水特性 

科学家在处理接触角时,有两种不同的途径,一种是宏观办法,另一种是微观办法。前者认为固--气三相之间有一条理想的“接触线”,这条接触线在液滴铺展过程中在不断移动着;后者认为在液滴的前端有一个厚度为 h0 的薄膜,它就是前驱膜,其厚度只有分子直径的量级(参见图1.3)。

1.3 接触角的两种处理办法:1)宏观办法(接触线);(2微观办法(前驱膜) 

科学家告诉我们:液滴铺展的主导力是毛细力。毛细力实质是表面张力,液体在竖直细管中爬升就是由液体的表面张力导致的。如果我们研究的液体是电解质,而且固体介质内施加有电场,那么液滴铺展就是电润湿毛细问题了(参见图1.4),而没有电场条件下的铺展则可称之为“自由铺展”。

1.4 电湿润中接触线附近电荷与电场力分布示意 

赵亚溥研究团队利用分子动力学(MD)方法模拟了亲水基底上二维的圆柱形水滴湿润构型(参见图1.5)。图1.5a给出的是水滴的初始构型,图1.5b给出的是水滴自由湿润的构型(可以看到这个平衡态中有前驱膜存在),图1.5c给出的是在y方向上存在电场时水滴完全湿润的构型,图5d示出自由湿润情况中构成前驱膜的水分子在原始构型中的位置,图5e则是前驱膜中的二维氢键网络。这些结果表明了:前驱膜的铺展速度很快,形成前驱膜的水分子来自液滴表面,在电湿润情况下前驱膜显示出类固体性质。

1.5 亲水基底上前驱膜在液滴自由湿润和电润湿中的作用

最后,我们来解释赵亚溥研究团队所提出的“电弹性毛细(EEC)”概念。在此之前,需要先说明什么是“弹性毛细”?如果液滴是放置在一个弹性薄膜上面,薄膜可能在液滴的液气界面张力垂直分量的作用下逐渐弯曲并最终将液滴包覆起来(参见图1.6。当然,这里要求液滴尺寸满足一定的条件。“自包覆”在微机电系统的器件装配工艺中有着十分重要的应用。

1.6 PDMS弹性薄膜对液滴的自发包覆过程 

但是,在应用领域里,仅仅实现弹性包覆是不够的,还需要对于液滴包覆过程的控制以及对包覆的解脱(即所谓的“解包覆”)。科学家能否实现这个逆过程——解包覆呢?赵亚溥研究员提出施加外加电场来改变固液界面张力,从而实现了弹性薄膜对于液滴的解包覆。他将这个新概念命名为“电弹性毛细作用”,这样人们便可能进行可控-可逆的液滴封装了。这个研究成果一经发表便在国际学界里引起了关注,美国、韩国等国的学者跟进开展了EEC 研究。国际物理和化学的权威刊物《物理评论快报(PRL)》将它选为封面论文(参见图1.7)。这里,在基底上的液滴被石墨烯膜包裹着(参见图1.7a),由于电弹性毛细作用,前驱膜推动石墨烯铺展,最终达到了解包覆状态(图1.7b-6g次展示了石墨烯包覆解开的整个过程)。

1.7 电弹性毛细现象的分子动力学(MD)模拟 

美国ASME-MEMS主席C.J. Kim 教授评价该工作表明了从原子层次解决润湿机理中基础问题的潜力。法国J. Berthier 教授在其出版的专著中整章节地介绍了上述电润湿的研究结果。赵亚溥研究员提出的“EEC”新名词已经被国际润湿领域接受并引导了在国际上的研究热潮,他还于2012年作为特邀客座编辑为国际期刊《Journal of Adehesion Science and Technology》主编了电润湿特刊Special Issue on ElectrowettingVol26Issue 12-17)。电弹性毛细(EEC)不仅是学科研究的前沿问题,而且基于电润湿原理的电子变焦微透镜、电子纸、电润湿显示器等已经问世。这种广泛的应用背景驱动着基础研究的不断深入。 

作为科普文字,这里不可能把相关研究的细节全部加以说明,感兴趣的读者可以参阅赵亚溥研究员撰写的两部学术专著。

  赵亚溥研究员出版的两部学术专著 

 

                                                     (王柏懿撰文)