研究方向

我们主要研究复杂微流体及其技术应用：基于多学科交叉背景（包括物理，材料，化学，光学和力学），利用多种流体调控方式（包括电场，光场，磁场和温度场），结合多种研究手段（包括实验，理论和模拟），探索复杂流体在微观尺度下的物理现象和机制（包括液滴，气泡，蒸汽，电渗流，电解液，流体不稳定性等），及其在可持续发展的环境和能源等多领域里的潜在应用（比如纳米技术，海水脱盐淡化，太阳能蒸汽，水净化和处理等）。

课题组在开展的课题（2016-）

1. 基于微结构的离子浓度冲击波电渗析(参考前期工作简述)
   1.1 电渗流的原位观测
   离子浓度冲击波电渗析技术基于微尺度的表面电荷引起的电渗流。为揭示在多孔材料里的微观尺度的电渗流机制，从而更好地调控电解液离子输运，该课题通过显微镜实现原位观察在多孔材料里的电渗流。
   1.2 离子浓度原位观测
   在典型的电化学体系中包括电池和电渗析，离子浓度在空间重新分布，形成离子浓度极化现象。随着最近微流体技术的发展和生物上的应用，促进了深入理解原位的离子浓度的动力学演化，该课题探讨原位观察在冲击波电渗析技术里的离子浓度的变化，进而调控在电化学体系里的离子浓度，以及在冲击波电渗析技术里的应用。
2. 蒸汽和气泡：光诱导液体进而产生蒸汽和气泡。
3. 液桥：电场作用下形成稳定的液桥。
4. 液膜：液膜不稳定性的理论。
5. 其他：磁液滴，亲疏水表面等等。

 

前期工作简述（2016年前）

1. 微纳结构里的电解液离子输运：离子浓度冲击波电渗析和水处理应用

气候和环境变化导致淡水资源缺乏。如何获取可利用水资源和健康饮用水，以及对工业废水进行高效回收利用等问题日益引起国际广泛和密切的关注。水处理技术中较为关键的是脱盐或降低溶解于水里的电解液离子浓度。传统的脱盐淡化水处理技术主要有两种：一种是使用比较广泛的反渗透技术，该方法将水分通过半透膜直接提取出来，从而具有较高的脱盐率；另一种方法是电渗析法，该方法通过外加电场将盐分的离子分离出来从而获取淡化水，脱盐度可调控但是脱盐率较低。

结合电流体力学和电化学，我们研究一种新型的水处理技术，基于微结构多孔材料的冲击波电渗析技术（如图所示）。该技术依赖于多孔材料的微纳结构具有极高的表面积和体积比，形成新型的离子浓度输运，在空间出现离子浓度冲击波。该技术兼有反渗透法和传统电渗析法的优点，进而实现可调控的高脱盐率，并同步实现其他多种功能，包括过滤、分离、以及消毒。

这些成果发表在Phys. Rev. Lett.和Langmuir等学术期刊,并被MIT Technology Review, Physics Today等以标题 “Alternative desalination process cleans and sterilizes water”, “One-step water desalination and purification method”作学术专题报道；这种冲击波电渗析水处理方法，已获得2项美国专利。

2. 热拉技术里的微尺度的流体不稳定性：复合微纳结构和纳米技术

经典的毛细管不稳定性——圆柱形液体线分裂成一系列液滴，可能是最普遍存在的流体不稳定性之一：从茶壶倒茶观察到的液滴，厨房里水龙头的液滴，到打印机的喷头。对这种毛细管不稳定性的研究已有150多年的悠久历史。

然而在热拉技术里，会出现一种新颖的液膜流体不稳定性，圆柱形液体线并非断裂成小液滴而是形成纤维阵列（如图所示）。这种液膜的不稳定性有两个特点：不稳定性分裂仅沿着横向方向发生；纵向的连续性保持不变。通过这种热拉技术里的流体不稳定性，可获得大面积的多种复合微纳结构，包括纳米线和纳米颗粒。这种方法已经进一步扩展到基于硅和其他半导体组件制成的纳米结构，为纤维内的功能纳米器件提供了可能性。

这些成果发表在Nature, Journal of Fluid Mechanics, Nano Letter, 和Optics Express等学术期刊：并被MIT news, Phys.org, Science Daily, Science Week, R&D magazine, and Nanowerd 等以标题“ Dripping faucets inspire new way of creating structured particles” 作学术专题报道；这种利用流体不稳定性在微纤维里获得纳米结构的方法，已获得1项美国专利。

3. 磁性图案和数据存储

在商业市场中，用于数据存储的磁性纳米结构的研究在过去二十年中得到迅速发展。磁性纳米结构的许多实验性质，包括交换偏置和反铁磁性畴，由于电子电荷和自旋自由而变得十分复杂。对这些磁性的物理机制作了详尽的理论研究。特别地，通过将​​带隙从电子和光子延伸到磁振子，在人工设计的磁结构中磁振子能隙被提出并可用于自旋电子学应用。