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空間液滴操控及顆粒沈積研究取得重要進展

作者:李偉斌 2018-12-25 07:48 來源:
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  在過去的二十年裏,液滴蒸發中的微流動和顆粒沈積引起了科學家極大的研究興趣,這既因爲蒸發過程中蘊含著豐富的物理學現象,例如常見的“咖啡環效應”,又由于其在綠色印刷、微納器件制備、疾病診斷等領域展現出廣闊的應用前景。同時,作爲人體體液等複雜體系的一種簡單模型,研究膠體液滴的操控、蒸發及顆粒沈積,可爲未來空間探索任務中的複雜流體管理、資源再生與利用、宇航員生理狀況監測等提供理論指導簣D夹g支持。然而,蒸發中的膠體液滴是一個高度非平衡體系,存在複雜的傳熱傳質和能量交換過程,顆粒沈積理論仍不完善,這大大限制了其應用。 

  近期,中科院力學所微重力重點實驗室王育人團隊針對空間中膠體液滴操控及液滴內顆粒沈積動力學的研究取得重要進展。一是基于實踐十號(SJ-10)衛星提供的高水平微重力實驗平台,集成表面浸潤性修飾、複雜流體均勻分散等多項關鍵技術,發展了一套空間複雜流體管理系統,成功實現了膠體液滴在太空的生成和操控。相關結果發表在Langmuir (W. Li, H. Sun, D. Lan, and Y. Wang, 2018, DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b00219)Microgravity Sci. Technol. (W. Li, D. Lan, Z. Sun, B. Geng, X. Wang, W. Tian, G. Zhai and Y. Wang, 2016, DOI: 10.1007/s12217-016-9497-6)上,并授权多项国家发明專利。二是首次在咖啡环内部发现了二维网络状圖案,提出去浸润和颗粒组装之间的相互耦合机制是决定沉积结构的主要原因。通过进一步研究,发现重力沉降、气液界面收缩及毛细补偿流在蒸发不同阶段的相互协同和竞争共同影响了颗粒的聚集状态,提出了正置和倒置液滴中颗粒运动的追击和相遇机制。相关结果发表在Langmuir (W. Li, W. Ji, H. Sun, D. Lan, and Y. Wang, 2018, DOI10.1021/acs.langmuir.8b02659, 被期刊選爲補充封面)Physical Review E (W. Li, D. Lan, and Y. Wang, 2017, DOI: 10.1103/PhysRevE.95.042607)上。 

  上述研究爲空間複雜流體的管控提供了方案,深化了對顆粒沈積動力學的認識,對沈積圖案的調控及新型微納功能材料的制備具有重要的指導意義。以上工作得到中科院戰略性先導專項、國家自然科學基金等項目的資助。 

 

  1 空間中膠體液滴的注射、分離及振蕩 

 

  2 咖啡環內部網絡狀結構中典型幹區的形成機制 

 

  3 氣液界面收縮(A)、重力沈降(B)和毛細補償流(C)的协同和竞争共同决定沉积圖案形貌 

 

  多物理效應的協同和競爭機制 

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