微纳流道内聚合物刷与流体相互作用的多尺度模拟和实验研究

用聚合物刷来构造材料表面的纳米结构是一种简单高效的纳米制造新方法，可改变微纳尺度流道的润湿、摩擦及生物相溶性等表面性能，赋予了微流控芯片许多新功能。由于聚合物刷构象的复杂性，存在诸如溶剂效应如何诱发聚合物变形进而影响电渗流等许多未解决的开放性的问题，迫切需要研究聚合物刷与流体之间的相互作用规律。本项目提出一种非连续等效界面模型，解决微纳流道内流体与聚合物刷的相互作用多尺度模拟的边界层处理问题，实现跨尺度区域分子模拟的自动跟踪，建立多尺度模型，开发多尺度模拟算法；通过模拟和实验研究聚合物刷的伸展等构象变化对微纳流道内压力降及流速的影响，流体对聚合物刷边界摩擦力、滑移长度及双电层分布的影响，溶剂效应诱发的聚合物构象转变对电渗流的影响；阐明微纳流道内聚合物刷与流体相互作用的规律；设计并实现具有聚合物刷结构的新原理纳米混合器和新型电泳分离微流控芯片。本项目的研究成果可指导生物微纳流控芯片的设计。

用聚合物刷来构造材料表面的纳米结构是一种简单而有效的纳米制造方法，可改变流道的表面特性，赋予了微流控芯片许多新功能。本项目建立了流道内聚合物刷与流体相互作用的多尺度计算模型，开发了多尺度模拟软件；研究了聚合物形成纳米通道的规律，研究流道表面聚合物刷结构对流体流动的影响规律，并探讨聚合物纳米通道和聚合物刷在微流控芯片中的应用。研究了一种基于两亲共聚物刷对纳米通道阀控作用的温控响应型智能纳米阀和溶剂选择性通过的纳米通道；研究了流道上下壁面分别接枝带有相反电荷的聚电解质刷对电渗流影响的规律。研究了不同带电比例聚电解质刷对电渗流的调控规律。系统研究了接枝密度对流道内盐离子和反离子的密度分布的影响规律。研究表明：随着接枝密度的增加，流道表面的聚电解质刷层对电渗流的调节作用逐渐增强。当聚电解质刷接枝密度较高时，电渗流流速甚至出现了负值。研究发现：电渗流的流动速度与流道内阴阳离子和聚电解质单体的分布密切相关，驱动电场、聚电解质刷的带电比例和接枝密度等都是调控电渗流流动的重要因素。研究了聚两性电解质刷的带电比例、带电单体分布序列和不同驱动电场强度对流体流动的影响规律。提出一种自适应外加电场的抑制电渗流的方法，设计了一种在微流道表面接枝聚两性带电解质刷以抑制电渗流的微流控芯片。研究成果不仅对于设计和制造微流控芯片具有指导意义，而且聚合物纳米通道内流体流动规律的认识对于多孔膜及在药物传递或缓释、聚合物电池、聚合物电容、智能纳米阀器件等领域的应用也具有重要的意义。