纳尺度流固耦合驱动研究

Nanoscale driving mechanics is the core issue in the research and development of the micro-nano-electromechanical system. We aim to develop novel nanoscale fluid-solid coupling driving mechanics and focus on two unsolved problems: the driving mechanism of the continuous flow in circular nanoscale pipe under a temperature gradient, and the internal driving mechanism of the directional motion of nanoparticles in fluid. Base on micro and macro theory, we will establish also reasonable mechanics model to describe the related phenomena. The main innovation of the project is the new nanoscale actuator principle, such as circular nanoscale pipe heat engine and internal drive motor. The expected results have important scientific significance for understanding the nanoscale fluid-solid coupling driving mechanics and have potential application in the research and design of nanodevices.

纳尺度驱动是微纳机电系统研究开发中的核心问题。现有研究主要局限于固体界面的驱动机理，固液界面驱动研究较少，特别是环形纳米管道中的连续流动和液体中固体颗粒的内驱动，虽然在微纳器件系统中有重要应用前景，但因机制更为复杂，尚未有人研究。本项目拟开展纳尺度流固耦合驱动问题，着力研究温度梯度作用下能够实现环形纳米管道中的连续流动的驱动机理和流体中纳米颗粒的内驱动机理，并基于宏微观理论建立合理的力学模型描述相关现象。项目主要创新点是提出环形纳米管道热机和内驱动马达等新型纳米驱动器件原理。预期成果对理解纳尺度流固耦合驱动有重要的科学意义，在纳米器件的研发设计中具有潜在的应用价值。

纳米马达在纳米机械器件中具有重要应用，但已有的线性马达无法实现持续运动，因此也无法实现纳米通道中的持续流动。本项目提出了一般性的解决方案：构建可串联驱动单元（其特点是每个驱动单元都可提供驱动力、且串联后驱动力可叠加），多单元协同实现任意长纳米通道内的持续驱动。该方案在双壁纳米管（固-固界面）和纳米管水通道（固-液界面）中得到分子动力学模拟的验证。同时本项目还提出了若干新型纳尺度驱动原理如angustotaxis、flexotaxis等，对后续纳尺度驱动研究具有重要启示作用。项目成果有望在纳米器件中得到应用。此外，项目还发展了相关驱动原理的力学模型，能较好复现分子动力学模拟结果。特别针对纳尺度驱动中具有代表性的典型问题——二维范德华材料层间相互作用，我们得到了层间切向熵力的解析表达式，对纳米力学理论体系的建设具有示范性作用。