微納電動流體在能源環(huán)境、材料加工以及生物檢測等領域有非常重要的應用背景,對其機理及規(guī)律的研究是當前流體力學與傳熱傳質方向的研究前沿。與常規(guī)尺度電動流體相比,微納電動流體面臨的主要挑戰(zhàn)在于界面處的多物理化學效應、結構及物理過程的多尺度效應以及非線性效應等。針對這些難點,本書針對微納通道中,電動力驅動流體輸運的理論和數值實現進行了探討,重點闡述了微納尺度下,雙電層基本理論、電滲電泳基本知識及案例,可作為研究生和相關研究學者參考資料。
與常規(guī)尺度電動流體相比,微納電動流體研究面臨的主要挑戰(zhàn)在于界面處的多物理化學效應、多尺度效應以及強非線性等挑戰(zhàn)。從流體力學的角度看,一方面這些器件使我們獲得了操控微量流體以及流體中微納顆粒輸運的前所未有能力,而在另一方面,微納流體呈現出不同于宏觀尺度下的流動特征及規(guī)律,深入探索與之相關的流動機理是實現微納流動及輸運控制的前提和基礎。
本書針對微納通道中的流體以及顆粒在電驅動下的電泳、電滲等現象進行了討論,重點闡述了微納尺度下的顆粒、流體相關的數值模擬。相關的數值模擬均采用COMSOL Multiphysics 有限元軟件完成,通過求解偏微分方程或偏微分方程組來實現實際物理現象的仿真,進而達到使用數學方法求解物理現象的目的。通過數值計算能夠將宏觀與微觀相連接,能夠對實驗結果進行補充解釋,并驗證實驗的正確性。微流控芯片技術已發(fā)展成為一個生物、化學、醫(yī)學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。部分研究者并不擅長數值模擬的COMSOL程序的構建,本書在提供案例的同時還附帶程序構建的具體步驟,讀者在使用時可以根據需求對程序進行拓展以加深研究,獲得更深入的思考。本書的正文部分包括了微納流體力學基礎知識(第1章)、納米通道中雙電層的流體特性(第2章)、交流電場中膠體粒子之間的相互作用(第3章)、光誘導介電泳原理下的微顆粒運動機理(第4章)、一種二維拓撲優(yōu)化混合器(第5章)、功能基團修飾的納米顆粒刷層電荷特性(第6章)、納米顆粒在聚電解質刷層修飾納米孔內的電動輸運(第7章),以及納米尺度受限空間中表面電荷調節(jié)的非對稱離子輸運(第8章)。值得注意的是,本書并不是對微納芯片的研究綜述,主要是針對微納尺度下流體以及顆粒在電驅動下的數值模擬研究,不涉及相關的微納尺度加工技術和材料制備。
周騰,海南大學機電工程學院副教授,博士研究生。學習經歷:1. 2009/09-2014/06,中國科學院大學,長春光學精密機械與物理研究所機械制造及其自動化專業(yè),博士,導師:劉震宇;2. 2005/09-2009/06,山東理工大學,機械工程學院機械設計制造及其自動化專業(yè),學士。工作經歷:1.2017/12-至今,海南大學,機電工程學院,副教授;2.2015/08-2017/12,海南大學,機電工程學院,講師;3.2014/09-2015/08,韓國嶺南大學,機械工程系,博士后,合作導師:Sang Woo Joo院士/Shizhi Qian(錢詩智)教授。科研成果:1.國家自然科學基金委員會,面上項目,52075138,慣性效應與電場協(xié)同微藻操控芯片機理研究,2021-01至2024-12,58萬,在研,主持;2.國家自然科學基金委員會,青年科學基金項目,51605124,非牛頓流介電泳微流控芯片通道內可變形顆粒運動機理研究,2017-01至2019-12,17萬元,已結題,主持。主要著作:錢詩智(Shizhi Qian),周騰,史留勇,袁成宇,微納通道內顆粒在電動力驅動下的運動機理,北京郵電大學出版社,520千字,2017。
1 微納流體力學基礎知識
1.1 微納流體簡介
1.2 電動力學基礎知識
2 納米通道中雙電層的流體特性
2.1 引言
2.2 數學模型
2.3 數值實現
2.4 本章小結
3 交流電場中膠體粒子之間的相互作用
3.1 引言
3.2 數學模型
3.3 數值實現
3.4 結果與討論
3.5 本章小結
4 光誘導介電泳原理下的微顆粒運動機理
4.1 引言
4.2 數學模型
4.3 數值實現
4.4 結果與討論
5 一種二維拓撲優(yōu)化混合器
5.1 引言
5.2 數學模型
5.3 模型建立
5.4 結果與討論
5.5 本章小結
6 功能基團修飾的納米顆粒刷層電荷特性
6.1 引言
6.2 數學模型
6.3 數值實現
6.4 結果與討論
6.5 本章小結
7 納米顆粒在聚電解質刷層修飾納米孔內的電動輸運
7.1 引言
7.2 數學模型
7.3 數值實現
7.4 結果與討論
7.5 本章小結
8 納米尺度受限空間中表面電荷調節(jié)的非對稱離子輸運
8.1 引言
8.2 數學模型
8.3 數值實現
8.4 結果與討論
8.5 本章小結