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4、表面浸润仿生与非线性力学研究

(联系人:刘建林,13583262059,liujianlin@upc.edu.cn)

为了“开拓力学的新边疆,当今力学学科的前沿领域之一即为将应用力学的理论用于解决自然界和工业中存在的各种新问题,从而为新材料的仿生制造、微机电系统的设计、微型传感器的研发、微纳米技术的进一步发展提供理论依据。该研究方向致力于将连续介质力学的方法用于定量研究固体表面的浸润以及毛细力诱致的各种变形现象,同时也将非线性力学的理论用于解决工业装备中的部分问题。

(1)表面浸润仿生力学

对水黾腿部刺破水面的过程建立了力学模型,推导出了考虑表面张力的广义阿基米德定律并求得了浮力的表达式,并综合分析了水黾腿部产生超强浮力的优化结构。该工作发表在Physical Review E以后,被Sungkyunkwan大学的Kim等人的实验所验证。该工作也被选入由美国物理研究所和美国物理学会共同主办的反映当前物理学和生物科学研究前沿中焦点问题的刊物“Virtual Journal of Biological Physics Research”。同时与合作者进一步分析了水黾腿部产生浮力随着腿直径变化的尺寸效应,该工作作为封面文章发表于Advanced Materials。这项工作为研制微型船舶提供了理论参考。

图(a)水黾腿压入水面时的形貌图          图(b)水黾腿部的刚毛自适应水面

  

(2)毛细粘附

运用连续介质力学的方法研究了微梁(纳米线/纳米管)和微板的小变形、大变形以及多级粘附现象,并指出微梁的大变形与液桥形貌存在参数比拟关系,为合理设计微机电系统(MEMS)提供了理论基础。该部分工作先后发表于Journal of Physics D: Applied Mechanics, Chinese Physics Letters, Acta Mechanica Sinica等期刊。同时受南非科学院院士、南非半岛理工大学孙博华教授和加州大学伯克利分校李少凡教授邀请,为其主编的大型力学丛书“Advances in Soft Matter Mechanics” Springer)撰写关于毛细粘附的综述性文章作为该书的一章。

多根微梁在毛细力作用下产生多级粘附的结构

  

(3)液滴和细胞的定向运动

利用最小势能原理定量揭示了锥形管中和锥形纤维上液滴运动的物理机制,初步提出了一种新型的微流体器件的设计方案。同时与合作者研究了具有不同刚度的微梁对置于其上液滴和细胞运动的影响。该系列工作发表于Chinese Physics Letters, Journal of Colloid and Interface Science, Colloids and Surfaces B: Bionterfaces等杂志。

图(a)弹性基底上的液滴向软的方向运动               图(b)弹性基底上的细胞向硬的方向运动

  

(4)毛细力诱发弹性结构变形

给出了毛细力诱致软基底的弹性变形场,被荷兰Twente大学的Das教授的模型所验证。研究了微悬臂梁和微板上置不同尺寸的液滴时产生的反常弯曲,提出了液滴-微梁/板传感器的雏形。该部分工作发表于Physica B: Condensed Matter, Colloids and Surface A: Physicochemical and Engineering Aspects, Acta Mechanica Solida Sinica, Journal of Adhesion Science and Technology等。由于这一系列工作,受邀撰写毛细弹性耦合现象的综述文章一篇,发表于Acta Mechanica Sinica世界力学家大会(ICTAM2012)专刊。

液滴-微板传感器:两端固支的微板上面放置液滴而板上翘

  

(5)微纳米力学

运用可动边界条件变分的思想,研究了碳纳米管截面形状突变和自折叠机制,提出了将液滴、微梁和碳纳米管粘附综合考虑的统一理论框架,建立了考虑表面效应的纳米多孔金的微梁模型,分析了具有表面效应的纳米梁的粘附问题,并首次给出了具有表面效应的微梁的大变形解答。该部分工作分别发表于Archive of Applied MechanicsActa Mechanica Sinica, Nanotechnology, Journal of Mechanics of Materials and Structures等。由于这一系列工作,受邀为力学丛书“Continuum Mechanics”Intech)撰写章节一个。

图(a)碳纳米管的截面塌陷                               图(b)碳纳米管的自折叠

  

工作基础

    国家自然科学基金项目固体表面浸润和毛细粘附的力学与仿生研究

    国家自然科学基金项目微尺度毛细弹性耦合问题研究及其仿生力学探索

    教育部博士点基金项目固体表面的仿生力学研究

    山东省自然科学基金项目表面仿生与毛细弹性耦合现象的力学研究

    北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金项目冲击载荷下纳米多孔金属破坏机理的实验和理论研究

  

    中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室开放基金项目毛发的浸润性能及其毛细弹性耦合机制的力学研究