微尺度毛细弹性耦合问题研究及其仿生力学探索

The weak effect of capillary forces can induce innegligible deformation of the elastic structures at micro/nano scale. In fact, it has become a hot topic to design new materials and new devices in use of this kind of deformation and assembly effect caused by capillary forces. In this project, we will carry out quantitative and comprehensive investigations on the coupling interaction between capillary forces and elastic structures based upon continuum mechanics. The energy principle, scaling analysis and numerical simulation will be adopted in this study, and the related experiments will be conducted to testify our theoretical analyses. We first concentrate on the deformation characteristics of elastic structures and the microscaled properties of the interfaces, then establish the appropriate mechanics model. The detailed plans include the coupling interplay between a droplet and elastic structures, Elasto-capillarity modulated by the surfactant, and the hygroscopic spore dispersal mechanism in fern sporangia. In the light of these investigations, we aim to construct systematic theoretical models and develop new-typed numerical methods, and then obtain the deep understanding of the physical laws in the Elasto-capillary process. These analysis results will provide some useful theories and experimental dada for MEMS (micro-electro-mechanical systems), micro-sensors, micro/nano measurement and biomimetic structure design.

毛细力能以微弱的作用诱发微纳米尺度下的弹性结构产生不可忽略的变形，而利用这种变形及其自组装效应来设计新材料和新器件已成为当今前沿科学研究的热点。本项目将从连续介质力学的角度对毛细力与弹性微结构的耦合作用进行定量化的系统研究，研究过程中采用能量原理、量纲分析和数值模拟的方法，并设计相关的实验进行验证。本研究将致力于在对弹性结构的变形特征和界面的微观性质深刻把握的基础上建立恰当的力学模型，具体研究液滴与弹性微结构的耦合作用、表面活性剂调控的毛细弹性耦合现象、利用毛细弹性耦合的原理解释蕨类植物散布孢子的过程等问题。通过这些研究，以期建立系统的理论模型和发展新型的数值方法，进而获得对毛细力与弹性微结构耦合过程中物理规律的深入认识，最终为其力学机理在微机电系统和微型传感器设计、微纳米测量以及仿生结构的研发等领域提供理论依据和实验支持。

毛细力能以微弱的作用诱发微纳米尺度下的弹性结构产生不可忽略的变形，而利用这种变形及其自组装效应来设计新材料和新器件已成为当今前沿科学研究的热点。本项目从连续介质力学的角度对毛细力与弹性微结构的耦合作用进行定量化的系统研究，研究过程中采用能量原理、量纲分析和数值模拟的方法，并设计相关的实验进行验证。本研究致力于在对弹性结构的变形特征和界面的微观性质深刻把握的基础上建立恰当的力学模型，具体研究的问题包括：（1）考虑可动边界条件，根据变分原理提出了统一粘附模型，给出了系统的控制方程以及横截性边界条件，并将此模型应用于研究碳纳米管的自折叠、细胞的迁移、悬滴的形貌计算等问题；（2）系统研究了毛细力与弹性细长结构的耦合作用，包括液滴放置于纤维内外表面上时对纤维力学行为的影响、水生小动物腿部与液面的相互作用而产生的浮力分析、毛细力诱发的微梁反常弯曲现象、叶子失水和吸水时的弯曲现象等；（3）从力学角度研究了表面涂布有纳米颗粒的液体弹珠在失水时表现出来的弹塑性行为；（4）基于Gurtin的表面弹性理论，研究了固体表面应力诱发的纳米微梁、微板的变形，包括纳米梁的非线性振动、纳米尺度下梁的内力图等问题；（5）从能量角度研究了弯液面附近液滴和气泡的迁移现象，包括二维弯液面和轴对称弯液面等。通过这些研究，我们加深了对毛细力与弹性微结构耦合过程中物理规律的理解，所得的结果将为力学机理在微机电系统和微型传感器设计、微纳米测量以及仿生结构的研发等领域提供了理论依据和实验支持。本项目共发表论文23篇，其中SCI收录17篇，申请国家发明专利2项，并基于此项目获得了山东省自然科学二等奖1项。