空间磁场及其与电场耦合对微纳尺度下边界滑移和流体阻力影响规律的研究

Based on the development of micor/nano technology, the micro/nanofludic systems are widely used in mechanical, medical, biological applications. However, the lack of the control method, especially the real-time control of the drag of liquid flow limited the further development of micro/nanofludic systems. The study of the influence factors and formation mechanism of the drag of liquid flow is needed. This research firstly study the effect of magnetic field on the boundary slip based on theoretical analysis and experimental methods, analyze the effect of magnetic field on the liquid flow. By considering the effect of electric field on boundary slip and liquid flow together, the coupling effect of magnetic and electric field on the boundary slip is analyzed, a mathematic model and experiments are built and designed to verify and improve the theoretical model. Then based on the physical model of one dimensional and two dimensional micro channel, by using COMSOL multiphysics software, the coupling effect of magnetic field and electric field on the liquid flow in micro channel is obtained. Finally a method which is based on applying magnetic field and electric field to real-time control the drag of liquid flow in micro/nanofluidic system is explored.

随着微纳米技术不断发展，微纳流体系统在机械、医疗和生物等方面取得了广阔的应用。对微通道内液体流动阻力的控制，特别是实时控制手段的缺乏目前制约着微纳流体系统的进一步发展，对微通道内液体流动阻力的形成机理和影响因素进行深入研究具有重要的理论意义。首先利用理论分析和实验测量相结合的方法研究磁场对固液界面上边界滑移的影响机理和规律，结合磁场对溶液动力粘度的影响，分析磁场作用对液体流动阻力的影响。综合申请人前期所作电场对边界滑移、流动阻力影响的研究成果，分析电场、磁场的联合作用对边界滑移的影响，特别是电场、磁场的耦合作用，建立其数学模型并设计相应实验验证和完善所建立的模型。进而建立一、二维微纳通道物理模型，利用多物理场有限元仿真分析，得到微纳尺度下微通道内液体流动阻力受电场、磁场联合作用综合影响的规律及机理。最终探索一种通过施加空间电场、磁场实现实时控制微纳流体系统内流动阻力的方法。

对微纳通道内液体流动的实时控制在机械、医疗生物等方面具有着重要的应用前景。疏水、疏油、超疏水、超疏油表面被认为与液体之间存在着边界滑移，而边界滑移则受外界环境的影响。通过改变外部环境刺激，控制固液间的相互作用，进而改变边界滑移状态，控制液体的流动是本课题的研究重点。本课题的主要研究目标是通过改变磁场等非接触式外部刺激，来影响边界滑移状态。由于在研究进展过程中，发现磁场对边界滑移长度并不能产生可测量的稳定影响，因此对研究内容进行了调整。调整后的主要研究内容包括：磁场对边界滑移长度影响的研究；表面粗糙度对边界滑移长度影响的研究；基于AFM的边界滑移长度测量不确定度评价体系的建立；表面电荷对微通道内液体流动影响的研究和液滴表面可控运输的研究。取得进展如下：通过多角度实验，证明了磁场及磁化作用无法对固液界面的边界滑移产生显著的、可测量的、稳定的影响，解决了相关的争议。发现了表面粗糙度对等效边界滑移的影响规律，同时发现了表面粗糙度对边界滑移测量结果产生的偏差，通过对该偏差的修正以及基于AFM测量边界滑移标准方法的建立，对边界滑移测量不确定度进行了评定，实现了对边界滑移状态更加精准的评估，为后续相关研究打下了坚实的基础。得到了微通道内表面电荷引起的双电层及其与边界滑移耦合对流体流动阻力、传热的影响规律，对微纳流体系统的设计具有指导意义。通过构造微纳复合结构超浸润表面，实现了固体表面对油滴的可控定向运输，同时实现了高效的油水分离，油滴的可控运输与油水分离在多个领域具有着非常广泛的应用前景。