多场耦合作用下材料表面效应及其影响机制的多尺度力学研究

Integration of structures and functions in nature's materials leads to differently surface functions. Most of the literatures focused on study of effects of material properties and surface micro-structure features on the mechanical mechanism of single surface effect. To investigate effects of force, heat as well as electricity on surface effects can provide theoretical guidance for biomimetic fabrications and real applications of future biomimetic materials. Based on typical biomaterials and biomimetic materials, effects of surface adhesion, wettability and transportation as well as the macro- and micro-mechanisms of surface effects under the action of multiple fields of force, heat and electricity will be investigated systematically in this project, using the method of multiple-scale mechanics with experiments, theoretical models and numerical simulations, in order to disclose influences of material properties and surface features on surface effects as well as the correlation among the three surface effects themselves. Qualitative rules and quantitative relations among the coupled fields, material properties, surface features and surface effects are aimed to be established, which should be helpful for the design of intelligent surfaces of biomimetic materials. Such a project is a multidiscipline one related to materials, mechanics, physics, chemistry and biology. The results should be helpful not only for biomimetic fabrications and real applications of future biomimetic materials as well as the design of future intelligent material surfaces, but also, the most importantly, for the development of surface mechanics.

自然界材料将结构与功能协同互补，表现出多种特异表面功能。已有工作多集中研究材料特性、表面微结构特征对单一特异表面效应形成机制的影响。探讨力、热、电等外场作用下材料表面效应、影响机制及不同表面效应相互间联系，可为实际仿生制备和应用提供必要的理论指导。本项目将以具有特异表面效应的典型生物材料及仿生材料为研究载体，采用多尺度力学的研究方法，通过实验、理论及数值模拟，系统研究力、热、电等外场条件下的表面黏附效应、浸润效应、输运效应及其宏微观影响机制，揭示多场耦合条件下材料性能、表面特征对三种表面效应的影响以及三种表面效应彼此间的相互关联，建立多场耦合、材料性能、表面特征、表面效应间的定性规律和定量关系，探索仿生材料智能表面的设计方法。项目涉及材料、力学、物理、化学、生物等多学科交叉，研究成果不仅有助于指导仿生材料的制备和实际应用，对智能材料表面设计提供新思想，更重要的是能够推进表面力学方向的发展。

项目拟通过多尺度力学方法，以特异表面效应的自然生物材料及仿生材料为研究载体，从实验、理论和数值模拟三个方面系统研究外场作用下表面微结构特征、材料自身力学性能、表面物理化学特性与表面黏附、浸润及输运效应的关联，建立几种表面效应与外场之间的定性影响规律，讨论三种表面效应的鲁棒性及相互之间的影响与物理关联，与自然界生物材料表面特征相联系，探索多场作用下的功能表面设计新思想。通过五年的研究，顺利完成了预期目标，主要研究成果包括：1）基于仿生薄膜-基底系统黏附界面撕脱的理论模型和实验研究，澄清了温度影响壁虎黏附实验结果矛盾的原因，发现了表征界面黏附强度的最大撕脱力，提出了一种定量预测界面黏附性能的新方法；2）基于微柱阵列表面的实验及理论研究，揭示了力场作用下阵列表面黏附自清洁机制及磁场作用下阵列表面的可逆黏附调控机理，设计了一种多足黏附运动的微型机器人及几种黏附输运纳米器件；3）基于不同微结构的浸润表面，给出了表面润湿性转移及超疏水表面实现单一鲁棒Cassie状态的物理条件，揭示了浸润梯度功能表面的液滴定向输运机制，设计了一种雾中高效集水的功能表面。该项目资助下，共发表项目内容相关的学术论文70篇，其中SCI论文67篇，项目资助发表的论文他引400余次。项目组成员多次组织和参加国内外学术会议，并多次作邀请报告。执行期间，项目共培养毕业博士7名，硕士8名，且陈少华获科技部中青年科技创新领军人才，中组部“万人计划”科技创新领军人才，并入选享受国务院政府特殊津贴专家名单，爱思维尔2019年中国高被引学者；彭志龙获国家自然科学基金委优秀青年基金；黄橙获人社部博士后创新人才支持计划；刘明博士获北京市优秀毕业生称号，常孟周博士获黑龙江优秀博士等。