驱动微/纳米颗粒旋转的基板型超声电机的研究

基板型超声电机是一种新颖的超声致动器，它利用振动板节点附近的超声场驱动颗粒围绕节点以一定的半径和速度旋转，在微米颗粒的分离、细胞及大分子的应力施加和弹性模量测量、微器件的精密定位、微流体的搅拌等方面有着很好的应用前景。目前，由于缺乏对此超声电机工作原理的准确把握，尚未有定量的数理模型可用于此电机的性能分析和优化设计。另外，对此超声电机在高频和液体中的工作性能也缺乏理解 。本项目将定量分析作用在被驱动颗粒上由超声引起的各种力，以获得此超声电机的确切的工作原理；设计和研制样机，并测试各种工作参数对样机性能的影响；提出并设计具有更强颗粒捕捉和驱动能力的基板结构；基于声辐射压理论、声学流理论、超声场的三维有限元解析、颗粒动力学和实验结果，建立此类电机的性能分析模型；探索颗粒直径为几百纳米或更小的情况下电机的特性以将此电机的应用范围扩大到纳米领域。

已在2013年12月顺利完成基金委面上项目“驱动微/纳米颗粒旋转的基板型超声电机的研究”。基板上微/纳物体的旋转驱动在微/纳物体的分离、应力施加、力学特性测试、定向和搅拌等方面，有着很好的应用前景。在执行本项目以前，国内外对该技术的物理原理和器件特性均缺乏深入和全面的了解。本项目以彻底搞清超声基板上微/纳物旋转的机理并获得相关的新驱动原理与功能为主要目的，对驱动微/纳米颗粒旋转的基板型超声作动器进行了详细的研究。主要研究内容包括：超声基板上颗粒的驱动和捕捉机理；旋转驱动和捕捉基板上微/纳颗粒的新原理和新方法；相关超声器件的建模分析。. 在本基金的资助下，取得了下列主要研究成果：利用真空中基板上微颗粒的旋转试验，揭示了微颗粒在基板上的旋转原理，发现了弯-扭振动板节点周围存在的周向行波及其和微颗粒旋转之间的关系；明确了工作参数和Chladni效应对基板上微颗粒旋转过程的影响；获得弯-扭振动的有效励振方式；利用弯-扭振动板节点周围的周向行波，设计了各种超声台，可对微颗粒进行自旋驱动、微颗粒混合物进行分离，以及对微机械元件进行旋转驱动；利用可移动声学流，首次实现了基板上水溶液中纳米物体(直径100纳米的银和ZnO纳米线等)的超声旋转驱动。. 上述成果的主要科学意义在于：首次发现了弯-扭振动板节点周围存在的周向局部行波和全域行波，为各种声学器件的行波激励提供了一种新的方法；首次将超声旋转驱动的对象从微米物体发展到纳米物体、首次提出了有效的超声纳米旋转驱动原理。上述成果在应用上的意义在于：为微/纳物体的旋转驱动提供了一种有效的原理和器件结构。与其它的物理方法相比，超声方法具有的优点包括：对被驱动物体的物性选择性小；能对大量物体和单个物体进行驱动；器件易实现小体积和轻重量。. 由于在本项目中取得的创新性成果，发表和录用SCI期刊论文27篇（预期：发表和录用SCI期刊论文4-8篇），获中国发明专利授权9项（预期：申请2项），国际会议邀请演讲2次，国内会议邀请演讲1次，撰写英文专著《Ultrasonic Micro/Nano Manipulations》1本（260页），培养博士后1名、博士生3名、硕士生9名。另外，基板上微颗粒旋转原理方面的研究成果被加拿大科技网站Advances in Engineering亮点报道。