超临界CO2流体中超声诱导的多相/多场耦合作用特性和界面自组装调控机理

In this project, the complex multiphase flow of supercritical CO2 with suspended nanoparticles will be used to observe its multi-phase/multi-field coupling effect under the action of ultrasonic wave. The distribution of potential well depths and/or shapes of the acoustic field and the transient evolution of acoustic structure will be investigated. The dispersion and migration of the discrete particles, as well as the characteristics of ultrasonic-induced multi-phase/multi-field coupling effect in supercritical fluids will be clarified. The multiphase interface behavior in supercritical fluid will be explored through analyzing the wetting, adsorption and aggregation behavior of nanoparticles. By searching for the dynamic information and law of the growth characteristics of self-assembled aggregates with the change of external field, the influence correlation between multi-phase/multi-field coupling effects and the microstructure of self-assembled aggregates will be established to reveal the mechanism of ultrasonic-induced self-assembly behavior of nanoparticles at fluid interfaces. The results will provide reliable experimental data and theoretical basis for the development and application of supercritical fluid technology and sound manipulating nanofluid technology.

本项目针对悬浮着纳米颗粒的超临界CO2流体，对超声诱导的多相/多场耦合作用现象进行在线观察和分析，揭示声场势阱分布和声流结构瞬态演化的动力学机理，明确离散相的分散、迁移和融合规律，阐明超声诱导的多相/多场耦合作用特性。通过聚焦纳米颗粒的润湿、吸附和聚集行为，探索多相/多场耦合作用对复杂多相界面行为的影响规律，厘清超声诱导的多相界面行为特性。通过寻找自组装聚集体生长特征随外场变化的动态信息与规律，考查超声诱导的自组装聚集体微结构瞬态演化规律，获得超声诱导的界面自组装过程调控机理。研究结果将为超临界流体技术和声场操控流体工艺的开发应用提供可靠的实验数据和理论基础。

通过施加外场的诱导作用，来操控纳米粒子在流体界面的自组装过程，相关科学问题已成为国际前沿研究热点。本项目针对悬浮着纳米颗粒的超临界CO2流体，建立了高压可视化的超声操控多相流系统装置，对超声诱导的多相/多场耦合作用现象进行了在线观察和分析，应用统计理论和功率谱分析方法进行了非线性时间序列分析，揭示了声场势阱分布和声流结构瞬态演化的动力学机理。构建了介质过剩焓和空化泡表面自由能理论计算模型，提出了CO2膨胀液体极性计算公式。随超声功率增大，超声产生的泡群生成和破裂频率增大，泡群平均生存寿命以及流场声压波动周期时间缩短，声压周期性波动频率和声压波动振幅都增大。过剩焓是影响富CO2区超声空化气泡形成的关键因素，空化气泡形成所需的比表面过量焓是低压CXL超声空化的主要能量消耗。阐明了石墨烯在超临界CO2-H2O微乳液中的界面行为特性；发明了一种超声操控超临界CO2多相流制备导电橡胶工艺，成功将适量纳米石墨烯均匀注入到天然橡胶膜片中，开发了可穿戴高灵敏应变传感器元件，阐明了石墨烯在超临界CO2流体中嵌入溶胀橡胶体内的迁移机理和影响规律。针对声镊子组装图案化工艺，选用液态金属Ga作为目标图案化颗粒，利用自主搭建的可视化声镊操控平台，对不同声场参数下的液态金属Ga颗粒的排列行为进行了研究。成功将液态金属Ga粒子排列成节点线和点状矩阵图案，实现了粒子的可变形动态图案化操控，通过调节声波相位差及其声强、频率和辐射时间等声场作用参数，考查了声辐射力对组装图案化微纳结构过程及图案化尺寸形貌和有序结构的影响机制。提出了液态金属图案化及其封装新方法。利用声场和磁场等多场耦合对处于PDMS前驱体介质中的磁性液态金属进行了图案化及封装，试验论证了新工艺的可行性，获得多场诱导的界面自组装过程调控机理。研究结果将为超临界流体技术和声场操控流体工艺的开发应用提供可靠的实验数据和理论基础。