功能生物界面的“微纳尺度构建-功能-力学耦合”机制

功能生物界面由于其呈现出的独特功能引起研究者的极大兴趣,而微纳尺度结构是其关键结构基元,它们是界面特定功能的内在本质.然而直到目前描述刻画特定功能的整个形成过程依旧困难.越来越多的证据开始支持功能生物界面上的"微纳尺度构建-功能-力学耦合"的论点.本文重点介绍不同微纳尺度复合功能生物界面上的"形貌和力学耦合行为",以获得对微米纳米复合结构更好的理解.还介绍了自然界中生物体表气/液/固三相生物界面的"形貌-力学耦合行为",生物体内微纳尺度的"形貌-力学耦合行为",微纳尺度人工界面上活细胞的"形貌-力学耦合行为"和微纳尺度形貌、界面曲率与力学微环境的最新研究进展,并提出了一些新的概念,如"基于空间曲率的形貌-力学耦合行为"、"医学功能生物界面"和"生物力药理学"等.     

基于单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印

现有微纳3D打印在实现多材料、宏/微跨尺度等方面面临诸多挑战性难题.本文提出了一种基于单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印新工艺,它不再将打印喷嘴作为电极,只需平板电极与高压电源正极(或负极)连接.通过理论分析和数值模拟,揭示了其成形机理;通过系统实验研究,验证了喷嘴(导电和非导电)、基材(导电和非导电)、打印材料(导电和非导电)任意组合稳定打印的有效性;进一步通过3个典型实验案例:线宽1.139μm的高宽比46.8:1微"墙"结构、高性能透明电极、精准可控的三维生物支架,证明了该方法在高分辨率、多材料和宏/微跨尺度打印方面独特的技术优势.该方法为微纳3D打印提供了一种低成本、高普适性的全新解决方案.     

有机硅改性丙烯酸酯涂层的微/纳凸柱状织构化及其防污性能

经过"硅片模板-PDMS模板-目标涂层"的制备过程,实现了具有规则微/纳凸柱状织构表面的有机硅改性丙烯酸酯涂层的制备.利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和接触角仪系统表征了所制备涂层的物理化学性能,并以绿藻门的丝藻和硅藻门的舟形藻作为研究对象,考察了涂层的防污性能.研究结果表明,织构化涂层表面的接触角随微/纳凸柱状织构的表面覆盖率增加而增加,而丝藻和舟形藻的附着量随着微/纳凸柱状织构化表面覆盖率的增加而减小.当微/纳凸柱状织构表面覆盖率为21%时,相对于无织构化涂层,丝藻的附着量降低了82%,舟形藻的附着量降低了73%.通过对比两种藻类与微/纳凸柱之间距离的大小并结合织构化涂层的润湿行为,分析了织构化涂层有效防除丝藻和舟形藻附着的原因和机理.     

探索地球奥秘 追求持续发展--从科学钻探看资源、环境对人类发展的制约

在经历了近300年的工业革命之后．人类发现自己赖以生存的地球环境正在因自然和人为因素而遭受前所未有的严重破坏。资源问题、环境问题、自然灾害问题、人口问题等正在严重威胁着人们自身的生存环境，并严重影响社会的可持续发展。全人类正共同面临着一场新的人口、资源和环境危机，人与自然的矛盾从未像今天这样严重。     

光驱动微纳马达的运动机理及其性能

微纳马达是指在外界各种能量(光、电、磁、热、化学能等)的刺激下,具有运动性能(包括转动、翻转、梭动、收缩、聚集等)且尺寸为微米或纳米级的微观器件.相对于传统的微纳颗粒而言,微纳马达的可控运行的特性使之在应对未来生物临床、环境治理、微纳器械、微纳加工等领域的实际问题时具备明显优势.光驱动微纳马达作为本领域十分重要的一种类型,由于具有运动远程可控的独特性能而备受关注.本文首先对微纳马达进行了简单的介绍,然后详细地介绍光驱动微纳马达设计的基本原则及驱动机理、光驱动马达的分类、运动特征以及潜在应用,最后对光驱动微纳马达目前面临的挑战以及未来的发展进行了评述.     

移民月球

全球气候变暖,物种灭绝加快,资源日益枯竭,核灾难一触即发……地球正面临种种十分严峻的危机,难怪著名物理学家霍金发出了"人类必须离开地球"的警示.     

飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域. 利用激光直写技术进行材料加工时, 其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制, 难于进行纳米尺度的加工. 飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段, 也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源. 近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点. 该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景. 在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120 nm的加工分辨率后, 最近我国科学家实现了15 nm线宽的纳米尺度加工分辨率. 在利用多光束并行加工技术进行快速、大批量微纳结构加工的同时, 最新发展的多光束组合技术实现了多部件组合加工、一次成型, 解决了微尺度零部件组装难题, 为微纳尺度器件及微机电系统的开发提供了具有实用化前景的加工方法与途径. 利用飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的高精度、良好的空间分辨率和真三维加工能力的特点, 各国科学家制备出了各种微尺度光子学器件及微机电系统, 充分展示了该技术的应用前景. 随着对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理、加工技术及相关材料技术的深入研究, 飞秒脉冲微纳加工技术必将获得快速发展, 并在先进纳米制造领域获得新的突破.     

封面说明

在所有的纳微有序结构或表面图案结构的应用中,构筑方法是实现结构最终应用的重要前提条件.随着研究对有序结构材料性能及图案化尺寸、精度等要求的提高,人们不断改进,研发了一系列新的方法.纳、微尺度的微相分离、去润湿及水蒸气液滴模板等技术,溶剂辅助微成型技术,超临界流体技术,以及     

特种能场微成形技术研究进展

随着微成形加工尺度范围的不断延伸,单纯依靠模具施加载荷(力场)的微成形技术难以突破成形尺度极限,因此迫切需要发展塑性微成形新原理、新方法和新工艺。针对微成形尺度效应这一基本科学问题,将电场、电磁场和超声波等特种能场应用到微成形技术中,利用特种能场与材料相互作用产生的物理效应,突破微成形尺度极限并扩大可加工材料的范围,从而实现跨尺度、多材料和可控微成形。特种能场微成形技术将极大地促进微成形技术的发展和应用,成为微/纳制造技术领域一个重要研究方向。     

蓬勃发展的微纳米加工前沿技术——激光微纳制备

正微纳结构化材料是指在功能材料中引入微纳米尺度结构,以提升功能材料性能和拓展其新功能.功能结构的微纳米化不仅意味着能源与原材料的节省,而且带来多功能的高度集成和生产成本的大大降低.实现材料微纳结构化的基础是先进的微纳米加工技术,从晶体管到集成电路,从微电子到微机械与微流体,从微米技术到纳米技术,微纳米加工技术获得     

特种能场微成形技术研究进展

随着微成形加工尺度范围的不断延伸，单纯依靠模具施加载荷(力场)的微成形技术难以突破成形尺度极限，因此迫切需要发展塑性微成形新原理、新方法和新工艺。针对微成形尺度效应这一基本科学问题，将电场、电磁场和超声波等特种能场应用到微成形技术中，利用特种能场与材料相互作用产生的物理效应，突破微成形尺度极限并扩大可加工材料的范围，从而实现跨尺度、多材料和可控微成形。特种能场微成形技术将极大地促进微成形技术的发展和应用，成为微/纳制造技术领域一个重要研究方向。     

飞秒激光直写在玻璃内部制备多功能集成器件

飞秒激光脉冲具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度,与物质相互作用时呈现出强烈的非线性效应,使其可以深入透明介质内部,以超越光学衍射极限的精度对材料进行三维微加工.除此之外,飞秒激光三维直写技术具有高度的灵活性,即可以在单一芯片上制备并集成多种不同功能的微纳结构.这些特性使该技术迅速发展成为微制造领域的研究热点,在微流体、微光学、光电子学以及光量子芯片制备与集成等领域表现出广阔的前景.但还有一些问题限制飞秒激光直写技术的进一步发展,比如加工通道的尺寸和长度限制、较高的加工表面粗糙度等.针对这些问题,本文重点介绍了在玻璃中制备三维微纳流体通道以及高品质光学微腔的最新进展.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

濒临危机的水资源

<正>水啊!地球在咽泣,人类在诉说……地球上淡水资源本就短缺,更因其分布不均、环境变化、管理不善及基础设施投入不足等诸多原因,致使水资源匮乏问题愈加突出。目前,全球500余条大河中,超过半数严重枯竭。全球很多地区面临水资源匮乏的危机。农村的灌溉用水已经占到全球人类淡水消耗的     

封面说明

<正>飞秒激光微纳加工技术具有三维可设计制造、高精度、高空间分辨率、材料适用范围广等优势,在三维微纳结构制备领域显示了巨大的应用前景.近年来,随着国内外对超短脉冲激光与物质相互作用规律的深入研究,超快激光微纳加工技术不断进步,其应用领域拓展至微光学、微传感器、微电子学、微机械、微流控及仿生微纳制造等多个方向.借助超快激光微纳加工技术,一系列常规加工手段无法制备的复杂微纳结构被成     

基于BMP图像边缘跟踪的飞秒激光微加工技术研究

针对复杂结构和图案的飞秒激光微加工, 提出了一种基于BMP图像边缘跟踪的飞秒激光微加工方法. 介绍了采用该方法实现复杂图形飞秒激光微加工的总体思路, 讨论了加工路径的提取、优化、跟踪和加工过程的反馈, 以及在此基础上开发的飞秒激光微加工数控程序等. 并利用此技术成功制备出二维微纳图案. 研究结果表明, 利用该技术可实现微米至亚微米级特征尺寸复杂图案和微纳结构的飞秒激光数控加工.     

微纳光子偏振技术取得新进展

<正>表面等离激元(SPP)是存在金属与介质界面的一类特殊的电磁波模式,它具有比普通空间光更强更局域的光场和更短的波长,从而被广泛关注.特别是随着微纳加工技术的进步,人们可以加工出各种复杂的金属纳米结构以有效控制这类特殊的电磁模式,这给人们提供了在突破衍射极限的微纳尺度下操作光场的能力,开启了人类对光子设计与利用的新天地.近年来,基于等离激元矢量特性的研究将微纳光子设计带到了前所未有的高度.依赖于结构特征的矢量光场     

那些别国的“玻璃地球”计划

<正>面对资源日益匮乏的窘境,世界各国都将目光投向地球深处这片未知的领域。对抗一触即发,领土资源争夺战已经打响!澳大利亚"玻璃地球"计划矿产大国澳大利亚,被誉为"坐在矿车上的国家"。为了解决未来的资源问题,1999年,该国提出了一个别开生面的新概念——"玻璃地球"。顾名思义,就是指希望地球在人类面前能像玻璃一样透明,让我们一眼就能看清     

飞秒激光制备仿生疏水微柱阵列应用于液滴操控

仿生功能表面的制备是目前研究的热点,尤其是仿生疏水表面的制备.常用的制备方法包括等离子刻蚀、光刻等,制备过程较为复杂.本文基于飞秒激光微纳加工和模板转印技术,提出了一种制备疏水微柱阵列的简单策略,系统地研究了结构参数、表面化学修饰和润湿性之间的关系.研究发现,直径、间距和高度等结构参数对微柱阵列表面的润湿性影响较大.当微柱间距由400μm增加到600μm时,液滴滑动角从31°增加至76°.当微柱直径从100μm增加到300μm时,液滴滑动角也会相应地从40°增加到80°.微柱阵列的表面黏附性随着结构参数(直径、间距、高度)的改变而发生变化.基于这种特性,我们设计了一种具有不同间距的微柱阵列,用来实现液滴滑动行为的控制,同时还可以实现液滴微反应等应用.这种制备方式不仅操作简便,而且适用性广,在微流体芯片、生物医学和化学微反应等领域具有潜在的应用价值.     

纳能源技术应用及展望

随着社会的发展,世界能源消耗的增长与资源匮乏之间的矛盾日趋尖锐,因此传统能源利用技术的革新成为备受关注的问题。纳能源技术是采用纳米材料、纳微加工等高新技术手段发展出来的一种全新的能源技术,其有可能完全突破传统的宏观尺度能源系统(如内燃机等)所面临的低能效、高污染、大体积等一系列难以克服的原理性技术困难。上海大学纳微能源研究所作为一个多学科交叉平台,利用其交叉学科的优势,提出纳米尺度热机的概念,将微机电系统(microelectromechanical systems, MEMS)技术制备的传统微型热电器件与催化燃烧相结合,在纳米尺度下催化剂将化学能高效地转化为热能,形成局部温度差,再结合热电器件,在提高催化剂活性和稳定性的同时能够将所得热能转化为电能,实现其在微型电源领域的应用。