1. 课题来源与背景 本课题来源于国家自然科学基金"微悬臂梁传感器流固耦合振动特性研究(10902031)"，"微纳尺度下固液界面流体阻力多因素耦合影响机理及规律的研究(51475118)"，"空间磁场及其与电场耦合对微纳尺度下边界滑移和流体阻力影响规律的研究(51505108)"。近年来，纳米科技已成为研究热点之一，其成果为诸多领域的发展提供了有力的支撑。基于微纳米技术的微纳流体系统的发展，使其在机械、化学、生物和医学等领域取得了引人瞩目的成果。微纳米尺度下流体阻力的控制已成为制约微纳流体系统发展的关键技术之一，因此研究微纳米尺度下边界滑移的产生机理、影响因素及其对流动阻力的影响具有重要的理论意义和实用价值。 2. 研究的目的与意义 非滑移固液边界条件一直是传统流体力学中的最基本假设，流体动力学问题可以用Navier-Stokes方程中的两个微分方程式表达，该方程的边界条件假定为固液接触面上的液体分子紧紧吸附于固体墙上，与固体墙在各个方向的相对运动速度为零。然而，随着纳米技术的发展，最近的研究结果表明，在某些表面上，非滑移固液边界条件并不成立。流体存在边界滑移，一般用边界滑移长度来表征边界滑移的程度。 本研究的目的是基于原子力显微镜（AFM）建立边界滑移的测量方法，实现对边界滑移在0-500 nm范围内的精确测量。通过对亲、疏水粗糙和光滑表面边界滑移的测量，以确定这些表面是否存在边界滑移。测量纳米气泡及其随时间变化规律，寻找边界滑移的产生机理。研究电场、磁场、pH值和表面微观形貌对边界滑移的影响，探求利用这些因素来控制微流道内流体阻力的方法。 3. 主要论点与论据 本成果主要研究内容有：（1）建立固液界面边界滑移的纳米级精确测量方法；（2）固液界面纳米气泡的测量与表征，探索纳米气泡与边界滑移之间的关系；（3）电场、磁场、表面电荷、pH值和表面微观形貌与边界滑移之间关系；（4）多因素耦合影响下微纳流体系统中流动阻力控制方法。 论点1：可利用AFM和粘有微米球的悬臂梁，以AFM力测量模式测量微米球在液体中接近固体表面时所受的流体力，通过分析流体力获得边界滑移长度，建立该测量系统的不确定度评估体系，实现对边界滑移在0-500nm范围内的测量。 论点2：固液界面的纳米气泡是产生边界滑移的主要原因。通过测量固液界面纳米气泡形状、分布及随时间变化规律，得到了纳米气泡与边界滑移之间的关系，证实了纳米气泡是产生边界滑移的主要原因。 论点3：通过测量光滑十八烷基三氯硅烷（OTS）表面上的边界滑移长度，证实了在光滑表面上边界滑移的存在。对解决学术界光滑表面是否存在边界滑移的争议提供了实验证据。 论点4：通过实验方法，探寻电场、磁场、表面电荷、pH值和表面微观形貌对边界滑移的影响，发现了它们的影响规律，证实了电场、磁场、表面电荷、pH值和表面微观形貌可以影响边界滑移长度。 论点5：通过改变边界滑移、表面电荷可以实现对微流道流体阻力的控制。通过施加外电场、改变溶液pH值等方法改变边界滑移长度和表面电荷密度，达到了改变微流道内流体阻力的目的。 4. 创见与创新 （1） 发现了多种固液界面存在边界滑移，首次给出了光滑表面存在滑移的实验证据，证明了传统流体动力学模型中将紧邻固体墙的流体速度假定为零的边界条件在微纳尺度下并不适用。 （2） 实验发现了光滑表面自然形成的纳米气泡，并建立了其表征方法。发现了纳米气泡会随时间变化及合并的现象，揭示了纳米气泡对边界滑移产生影响的机理。 （3） 发现了外电场、磁场、表面电荷、pH值和表面微观形貌可影响边界滑移的现象，并揭示了这些因素影响边界滑移和流动阻力的机理。 （4） 发现了表面电荷、边界滑移影响微纳流体系统中液体的流动特性的规律，给出了利用该规律对微流道内流体阻力进行控制的方法。 5. 社会经济效益，存在的问题 该研究成果具有广阔的社会经济效益，例如：微机电系统的芯片实验室系统性能取决于流体以及所需传送的液体在微纳米管道中的流通，由于微流道具有较大的表面-体积比，存在的纳米效应使得流体阻力对流体流动的影响远大于宏观尺度，如何控制微纳米尺度流体摩擦力成为制约芯片实验室系统发展的一个关键因素。在宏观流体传输系统中，如管道输油，自来水传送等领域，可以通过控制管道表面的滑移长度，减小流体传送的拖曳摩擦力，实现节约能源和成本，提高能源利用率。

哈尔滨工业大学

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