电弹性毛细动力学的实验、理论和分子动力学模拟研究

电弹性毛细动力学结合电润湿与弹性毛细，可在多尺度下实现弹性薄膜对液滴的包覆-解包覆的可控可逆控制，其在微/纳器件三维加工、生物医药等领域有广阔的应用前景。本课题拟结合实验、理论与分子动力学模拟对电弹性毛细动力学展开"三位一体"的系统研究。实验上，通过液滴动力学观测实验平台对电弹性毛细进行实时在位研究，分析弹性薄膜在电场控制下对液滴的包覆和解包覆过程，并研究此过程中涉及的曲率基底电润湿、超疏水薄膜黏附性能以及液滴-薄膜流固耦合体系动力学特性。理论上，建立液滴-薄膜系统在电场力、表面张力及弹性力作用下的动态响应模型，并给出特征尺度及特征时间。分子动力学模拟方面，研究纳米尺度电弹性毛细、电润湿中原子运动细节，特别是电场作用下前驱膜的性质及前驱膜与弹性薄膜之间的相互作用。本项目旨在通过对多尺度、多物理场耦合的电弹性毛细机制进行研究，为认知其机理、推广其应用奠定基础。

从实验、理论、分子动力学/第一原理模拟三方面研究了由本课题组提出的“电弹性毛细（EEC）”动力学问题。主要进展如下：.（一）、在实验上，首次通过电场力、毛细力与弹性力的共同作用，在国际上首次从实验上实现了可控、可逆地包覆与释放微小液滴的过程，并将其命名为“电弹性毛细 (EEC)”。结果发表在《英国皇家学会会刊A》，被美国《科学》和英国《新科学家》网站重点报道。法国J. Berthier教授的专著：“Micro-Drops and Digital Microfluidics (2nd Ed.), London: Elsevier (2013)”在第12章中重点介绍了该工作，“EEC”作为了该章的题目。.（二）、通过跨尺度实验、模拟和理论相结合的方法，从原子层次到连续层次、定量地研究了液体在微柱阵列亲液表面的动态润湿过程，得到并验证了在两种极限状况下的标度关系。研究表明：在固体表面本征润湿性能和拓扑结构的共同作用下，结构表面为润湿提供过剩驱动功，同时也将部分液体钉扎在固体周围，使得接触线的移动保持着动态平衡，导致超润湿的发生，使得微柱阵列亲液表面成为超亲液表面。相关结果发表在国际流体力学最权威期刊《流体力学杂志（JFM）》上。.（三）、采用MD结合理论研究了“石墨烯-水”系统的电弹性毛细过程，发现由两个前驱膜的相互竞争所引起的毛细波的产生、传播和消失在电弹性毛细中起着重要的作用。从理论上推导出了毛细波的色散关系以及波速的表达式，与模拟统计得出的结果在一个数量级上。该方面的成果发表在Nature旗下《科学报告》上。.（四）、在国际上首次理论给出曲面电润湿公式，提出曲率修正的电润湿数。该部分研究结果被法国J. Berthier教授的专著：“Micro-Drops and Digital Microfluidics (2nd Ed.), London: Elsevier (2013)”作为第7章中的主要内容，我们论文的题目被Berthier教授的专著作为第7章的题目。.该项目出版专著一部（赵亚溥. 表面与界面物理力学. 北京：科学出版社, 2012），共发表 SCI期刊论文18篇，其中，《流体力学杂志（JFM）》一篇、英国皇家学会会刊A》2篇，Nature旗下刊物《科学报告(Scientific Report)》2篇）。论文被国外学者大量引用，研究成果在国际上产生了重要影响。