基于固液界面纳米气泡的表面纳米结构成形机理研究

Due to their large surface area to volume ratio, surface nanostructures normally have some special physicochemical properties. This makes them have wide applications in the areas such as micro-electro-mechanical systems. These interfacial nanobubbles can be spontaneously nucleated at solid-liquid interfaces. The size of nanobubbles can be tuned from several tens nanometers to hundreds of nanometers. Their density can also vary in a large range. These unique properties make them good templates for nanostructured surface fabrication. In this proposal, the mechanism of nanobubble-assisted formation of surface nanostructures is studied. The study on the nucleation mechanism of interfacial nanobubbles will be carried out first. The factors influencing nanobubble nucleation will be investigated to establish methods of controlling the size and density of nanobubbles. In this proposal, the fabrication of nanostructured surfaces will be conducted by two approaches, which are referred to as active method and indirect method. In the active method, the interaction between nanobubbles and sample surfaces will be studied. From this, the mechanism of both high inner pressure and the surface tension force along three phase contact line will be revealed for the formation of surface nanostructures. For the indirect method, the mechanism of preferential particle adsorption of sample surfaces and nanobubbles in aqueous solutions will be revealed. The morphology types of nanostructures generated by different methods will be confirmed. Moreover, various influence factors of nanostructured surface formation will be comprehensively studied to realize the regulation of morphology and size of surface nanostructures. This project could obtain some representative research outputs about surface nanostructure formation, which could be helpful supplements to the existing methods.

表面纳米结构特有的表面和体积效应使其具备独特的物化性质，在微机电系统等方面具有广阔的应用前景。本课题以固液界面自发生成的纳米气泡为模板，充分利用其成核简单，尺寸和分布密度调整范围大等优点，开展材料表面纳米结构的成形机理研究工作。课题将首先研究纳米气泡的成核机理，并综合分析影响纳米气泡成核的主要因素，建立纳米气泡尺寸及分布密度的主动调控方法。在此基础上，采用主动和间接作用两种方式制备表面纳米结构。在主动作用方面，研究纳米气泡与材料表面的相互作用，分别揭示气泡的表面张力及其高内部压强在软材料表面主动作用生成纳米结构的机理。在间接作用方面，将以气泡和材料表面对不同粒子的选择性吸附机理研究为重点，明确各种不同作用形式下所生成的纳米结构的形貌。以此为基础，综合分析各种成形因素的影响，实现纳米结构形貌和尺寸的调控。课题的开展有望在表面纳米结构成形方面取得代表性成果，成为现有成形方法的有益补充。

微纳结构表面具有独特的物理化学性质，在微电子机械系统、微电子、生物医学和组织工程等领域有着广阔的应用前景。本项目结合实验、理论建模和数值仿真，综合运用机械、物理和化学等交叉学科知识，以微纳米尺度精密定位和显微视觉测量技术为基础，揭示了固液界面微纳米气泡成核和生长机理，实现了微纳米气泡动态特性的有效调控。在此基础上，开展了基于固液界面微纳米气泡的主动作用和间接作用的表面微纳结构成形方法研究。.在微纳米尺度精密定位和显微视觉测量方面，提出了一种基于视觉传感的图像漂移补偿技术，解决了原子力显微镜AFM系统存在的机械漂移的问题，实现了微小目标原位连续测量和形貌精确表征。在纳米气泡成核和生长机理方面，综合运用AFM、共聚焦激光扫描显微镜和高速成像设备，揭示了固液界面自发成核和光场作用下热致等离激元气泡成核两种微纳米气泡的成核机理。通过综合调控材料表面微纳结构、溶液中气体饱和度、压强、比热容等物化参数，实现了固液界面微纳米气泡生长动态特性的有效调控。. 在气泡主动作用生成微纳米结构方面，项目以表面微纳米气泡成核机理研究为基础，建立了气泡表面张力和高内部压强对材料表面作用的力学模型，揭示了纳米气泡对材料表面的作用机理，提出了基于表面纳米气泡的纳米结构制备方法。在间接作用方面，利用固液界面相变和相分离，结合表面等离激元和乌佐效应，提出了微纳米凹坑、微透镜、微槽等多种微纳米结构制备方法。. 以该项目为依托，课题组在国际知名期刊发表高水平SCI论文23篇，包含两篇美国科学院院刊PNAS，一篇美国物理学会物理评论快报PRL，一篇封面文章Langmuir。此外，获批国家发明专利9项。人才培养方面，在该项目的支持下，课题组培养了2人次中青年学术带头人（教育部青年长江学者和北京市组织部青年拔尖人才），出站1名博士后，毕业3名博士生和5名硕士生。