微流控系统中声表面波调控MOFs成形与粒度的研究

Metal-organic frameworks (MOFs) is a porous material with great potential applications. However, effective controlling of the particle shape and size are one of the major challenges in producing MOFs.In this project, the changing rule of MOFs particle shape and size that is induced by surface acoustic waves (SAW) is studied in microfluidic system. When SAW propagates on piezoelectric substrate, mutil-physics that composed by sound field, electric field and thermal field is generated. The movements of micro-nano- particles that driven by mutil-physics fields are studied by theoretical derivation and simulation to reveal the movement rule of micro-nano- particles under the interaction of the mutil-physics fields. Further, the changing law of MOFs particle shape and size is researched by simulation and experiment to state the law that the changing of MOFs particle shape and size influenced by SAW. Then the structure of microfluidic system, suiting for controlling MOFs particle shape and size, is optimized by intelligent optimization algorithms. Finally, integrating the theoretical derivation, simulation, experiment and he changing law of MOFs particle shape and size, the multi-physics field based method, that controls the MOFs particle shape and size precisely, is built by introducing the optimizing control algorithm. In a word, the project offers a new method to control the MOFs particle shape and size, which will provide theoretical and technological basis for producing MOFs.

金属有机框架物（MOFs）是一种具有巨大潜在应用价值的多孔材料，但是其成形与粒度的有效控制是生产MOFs面临的主要挑战之一。本项目对微流控系统中声表面波影响MOFs成形与粒度的规律展开研究。通过理论分析和数值模拟研究声表面波引起的多物理场对微纳米颗粒运动的影响，阐明微流体中微纳米颗粒在压电振动引起的声场、电场和热场中受到的作用力，揭示多种力共同作用下颗粒的运动规律；结合理论分析和实验观测研究颗粒运动对MOFs成形与粒度的影响，阐明声表面波引起的颗粒运动影响MOFs成形与粒度的机理；利用有限元软件，对现有微流道和声表面波发生装置进行结构优化，改进微流控系统结构；综合理论分析、有限元仿真和实验结果，建立多物理场控制MOFs成形与粒度的控制模型，引入控制优化算法，获得多物理场作用下精确控制MOFs成形与粒度的方法。本项目为MOFs成形与粒度的控制提供了新的解决方法，为MOFs的工业应用提供基础。

金属有机框架物（MOFs）是一种具有巨大潜在应用价值的多孔材料，但是其成形与粒度的有效控制是生产MOFs面临的主要挑战之一。本项目针对MOFs合成过程中成形与粒度难以控制的问题，以经典金属有机框架物MOF-199（HKUST-1, (C18H6Cu3O12)n）晶体的成形与粒度控制为例，开发一种基于声表面波微流控系统的控制方法。主要研究内容包括：通过理论分析和数值模拟研究声表面波引起的多物理场对微纳米颗粒运动的影响，阐明微流体中微纳米颗粒在压电振动引起的声场、电场和热场中受到的作用力，揭示多种力共同作用下颗粒的运动规律；结合理论分析和实验观测研究颗粒运动对MOFs成形与粒度的影响，阐明声表面波引起的颗粒运动影响MOFs成形与粒度的机理；利用有限元软件，对现有微流道和声表面波发生装置进行结构优化，改进微流控系统结构；综合理论分析、有限元仿真和实验结果，建立多物理场控制MOFs成形与粒度的控制模型，引入控制优化算法，获得多物理场作用下精确控制MOFs成形与粒度的方法。研究结果表明，声表面波在压电基底上形成的声电耦合场共同影响MOFs合成过程中的成形与粒度；我们通过理论分析和实验验证了声表面波引起的多物理场对MOFs成形与粒度的影响规律，提出了声场强度、声场排布形式和电场共同影响成形与粒度的观点；进一步地，我们设计了基于混合声波和兰姆波的声微流控系统芯片，用于控制MOFs的成形与粒度，研究结果进一步证实了我们观点的正确性；最后，我们将合成的柔性MOFs应用在软体驱动中，获得了良好的驱动效果。本研究成果为MOFs成形与粒度的快速、低成本控制提供了技术手段，可推广应用到晶体结晶与合成等领域。