低维碳材料力-电耦合流体传动纳米器件设计及传动机理分析

The mechanical, electromagnetic, thermal, optical properties and the life science related studies and applications of the low dimensional carbon materials including carbon nanotubes, graphene and fullerene have attracted considerable attention. Also, the properties of the low dimensional carbon materials based fluidic systems were of great research interests. Nevertheless, few studies reported the design or mechanism of the low dimensional carbon materials-based nanofluidic devices. In this project, based on the investigation of the electro- mechanical coupling fluid-solid interaction mechanism, the low dimensional carbon materials-based fluid transmission nano-devices are proposed. The electro- mechanical fluid transmission properties of the proposed fluid transmission model are explored. The theoretical analysis framework, which can analyze the nano- structure of the confined fluids, fluid-solid interaction, the mechanical behaviors of the low dimensional carbon materials of the fluid transmission devices, is constructed. The fluidic boundary slip, the fluid-solid interfacial friction and the load transfer rules are discussed to explore the optimum electro-mechanical controlled fluid transmission model. The electro-mechanical controllable fluid power transmitting mechanism is analyzed to create the theoretical predicting model for the low dimensional carbon materials-based electro-mechanical coupling fluid transmission. This study will be helpful to the design and manufacture of the fluidic nano-apparatus.

低维碳材料（碳纳米管、石墨烯、富勒烯）的力学、电磁、热学、光学等性能和生命科学相关应用研究很多，其中不乏低维碳材料与流体所组成系统的特性研究，但基于低维碳材料的纳米尺度流体器件设计及机理研究甚少。本项目基于低维碳材料与流体的力-电耦合流-固作用机制研究，拟设计一种或几种低维碳材料流体传动纳米器件模型。探索力-电耦合作用下低维碳材料流体传动纳米器件模型的流体传动特性；构建能够分析纳米尺度力-电耦合作用下流体传动介质在器件中的运动特性与纳观构型、流-固界面相互作用和低维碳材料承载及变形行为的理论分析框架；揭示力-电耦合作用下低维碳材料-流体界面的边界速度滑移、流-固界面摩擦和各部件载荷传递规律，探求低维碳材料流体传动纳米器件力-电可控模型；阐明器件中力-电可控流体传动机理，并建立低维碳材料力-电耦合流体传动理论预测模型。该研究将为纳米尺度流体器件的设计与制造提供理论指导。

本项目以低维碳材料与流体系统为研究对象，深入开展了流体在碳管内部、石墨烯表面和富勒烯纳米流体等在热、力、电多物理场及耦合场作用下对的流动特性，特别针对低维碳材料与流体界面的滑移及摩擦特性进行了探索。提出了水-碳纳米管力电耦合流体传动模型，并通过微观构型和纳尺度流-固界面滑移及摩擦理论对其传动机理进行了分析，揭示了电场强度、负载和流体剪切应变率对流体传动的影响规律。构建了单层石墨烯-水Couette剪切模型，进一步探索了低维碳材料表面与流体之间的界面摩擦及滑移规律，为基于低维碳材料的流体传动器件设计提供理论帮助。提出了水银液柱在碳纳米管内部的热梯度驱动模型，研究了水银液柱在碳管内部的热驱动运动特性，发现水银液柱从高温区向低温区高速运动，且热驱动加速度随着温度梯度的增加而增大；考虑了水银液柱疏水弯液面和碳管整体热震荡对液滴热驱动特性的影响，阐明了碳管整体热震荡对液柱热驱动运动的影响机制。研究了热场、电场及其复合场作用下液滴在石墨烯表面上的运动规律，探讨了外场强度对液滴运动特性的影响规律，发现了液滴的运动方向取决于液滴亲疏水性，且热-电耦合场作用下液滴的驱动运动方向取决于石墨烯的整体热震荡和液滴亲疏水性二者的竞争。以多孔石墨烯、柱状石墨烯作为渗透膜，研究了低维碳材料对盐水的反渗透特性，从能障角度揭示了多孔石墨烯和柱状石墨烯的反渗透机理。此外，还拓展性地开展了基于Y型碳管的纳米销研究，以及当前热点材料黑鳞片层与流体的界面滑移及摩擦特性等。项目研究成果将为基于纳米尺度流体流动特性的流体系统纳米器件的设计与制造提供了理论指导。本项目研究以发表学术论文为主要成果提交方式，共发表学术论文20篇，SCI收录17篇，EI收录1篇。其中，项目负责人为第一作者发表学术论文11篇，SCI收录10篇，EI收录1篇。积极开展学术交流与合作，参加国际会议4次，国内会议及研讨会20余次。培养硕士研究生7名，1名获得校优秀硕士学位论文。