編者按：中國科學(xué)院力學(xué)研究所趙亞溥研究團隊的研究成果“納微系統(tǒng)中表面效應(yīng)的物理力學(xué)研究”獲得了2014年度國家自然科學(xué)獎二等獎。我們在此表示祝賀，并用科普的方式介紹相關(guān)研究的內(nèi)涵。

 

趙亞溥研究員團隊在人民大會堂的頒獎大會上 （圖中左起：郭建剛、林文惠、趙亞溥、張吟、袁泉子）

納微系統(tǒng)中表面效應(yīng)的物理力學(xué)研究（1）

興起于20世紀(jì)80年代興起的納微系統(tǒng)科技，不但對航空航天、電子信息、新型材料、能源環(huán)境、生物醫(yī)療、先進制造以及國防安全等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響，而且為力學(xué)學(xué)科的發(fā)展注入了新的活力。由于對于經(jīng)濟和社會發(fā)展所具有的巨大作用和潛在能力，納微系統(tǒng)科技是全球科技界關(guān)注的一個焦點，已經(jīng)成為21世紀(jì)前沿科學(xué)技術(shù)的代表領(lǐng)域之一，并從20世紀(jì)90年代就開始了產(chǎn)業(yè)化進程。納微系統(tǒng)科技的產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平?jīng)Q定著一個國家在世界經(jīng)濟中的地位，所以世界各國，尤其是科技強國，都把發(fā)展納微米技術(shù)作為國家戰(zhàn)略。我們國家也一直在努力增強納微系統(tǒng)科技領(lǐng)域的競爭力，以期占領(lǐng)世界納微米技術(shù)發(fā)展的制高點。納微米技術(shù)的小尺度特點及競爭的激烈程度決定了其基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、產(chǎn)品研制和市場開發(fā)必須保持并舉進行的策略。 這里，“納微系統(tǒng)”這個術(shù)語中的“納”和“微”分別代表“納米”和“微米”。大家知道，納米（nanometer）是一個長度單位，等于十億分之一米，一般用nm表示；而微米（micrometer）也是一個長度單位，等于百萬分之一米，一般用 m表示。顯然，1微米等于1000納米（1 m=1000nm）。如果要給出一點直觀概念，那么可以告訴大家：一根頭發(fā)絲的直徑約為70～100微米，細菌的大小約為1微米～2微米，煙塵的微粒直徑不到1微米，而病毒通常只有0.25微米左右。所以，納微系統(tǒng)把我們帶進了介于“宏觀”與“微觀”之間的“介觀”世界。 納微系統(tǒng)科技是在納米尺度（0.1-100 nm）及微米尺度（1-100 m）范圍上研究物質(zhì)的特性和相互作用，以及應(yīng)用這些特性的一門科學(xué)與技術(shù)（設(shè)計、制造，測量、控制和產(chǎn)品）。從技術(shù)層面來講，它主要包括納微米粒子和納微米材料的制備技術(shù)；納微米組裝技術(shù)；納微米級加工技術(shù)；納微米級測量技術(shù)；納微米級表層物理力學(xué)性能及其檢測技術(shù)等，其最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品或裝置。這類產(chǎn)品或裝置就常常被稱為“納微系統(tǒng)”（NEMS/MEMS），人們亦將其中的MEMS具體稱之為“微電子機械系統(tǒng)”（mMicroelectromechamical sSystems），或叫做“微機電系統(tǒng)”。 微機電系統(tǒng)（MEMS）是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結(jié)構(gòu)、微電源（微能源）、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。這是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。常見的產(chǎn)品包括微加速度計、微馬達、微泵、微振子、微光學(xué)開關(guān)、微流控器件、微陀螺儀、微生化分析系統(tǒng)等等以及它們的集成產(chǎn)品。顯然，MEMS涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機械學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，它涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等多種現(xiàn)象及其耦合效應(yīng)。 與宏觀的機械系統(tǒng)有所不同，納微系統(tǒng)具有小尺度的特點，導(dǎo)致它們擁有很大的“比表面積”，表面界面效應(yīng)在納微系統(tǒng)中起著重要的作用。而采用傳統(tǒng)的宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)解決對這類問題的研究不足已不再適用，因此從而嚴(yán)重地制約著納微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。趙亞溥研究團隊緊密結(jié)合國家在納微技術(shù)領(lǐng)域的重大需求和力學(xué)學(xué)科的國際學(xué)術(shù)前沿，選擇下列納微制造產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注的共性問題開展了有成效研究工作：電彈性毛細動力學(xué)，分子間力所引起的吸合、黏附，表面應(yīng)力的起源及其在相關(guān)器件中的應(yīng)用等。通過十余年的努力與積累，他們?nèi)〉昧巳舾删哂性瓌?chuàng)性的成果，對于為納微系統(tǒng)的相關(guān)力學(xué)設(shè)計提供了重要參考，引領(lǐng)和推動了納微系統(tǒng)表面力學(xué)行為及相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。 趙亞溥團隊的研究屬于交叉學(xué)科領(lǐng)域，相關(guān)成果發(fā)表在國際物理和化學(xué)類最高學(xué)術(shù)刊物《物理評論快報 (PRL)》、《美國化學(xué)會志 (JACS)》、國際MEMS領(lǐng)域頂級期刊以及力學(xué)重要期刊上。趙亞溥研究員曾多次在國際相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)會議上做大會特邀報告。中國科學(xué)院/工程院、美國科學(xué)院/工程院、英國皇家學(xué)會、俄羅斯科學(xué)院、荷蘭皇家科學(xué)院等十余位院士曾數(shù)十次大篇幅地引用或進一步發(fā)展該研究團隊的相關(guān)工作。作為上述成果的結(jié)晶，趙亞溥研究員已經(jīng)出版了《表面與界面物理力學(xué)》和《納米與介觀力學(xué)》等兩部學(xué)術(shù)專著，最近又獲得了2014年度國家自然科學(xué)二等獎。 本文將從四個方面對他們的研究成果做簡要的說明，這里先介紹第一部分，即“電彈性毛細 (Electro-Elasto-Capillarity, EEC)”新概念的提出。
電彈性毛細 (Electro-Elasto-Capillarity, EEC)新概念

從技術(shù)應(yīng)用來說，電潤濕是納微系統(tǒng)中液體輸運的最主要手段之一；從學(xué)科研究來看，電潤濕是固-液界面動力學(xué)的典型問題之一。趙亞溥研究員在國際上首次提出了“電彈性毛細（EEC）”的新概念，并通過施加電場實現(xiàn)了液滴的解包覆，揭示了液滴前驅(qū)膜和彈性結(jié)構(gòu)的相互作用的新機制。在研究中，聯(lián)合應(yīng)用分子動理論（MKT）、分子動力學(xué)（MD）和實驗研究三種手段，從多尺度角度，探索了電潤濕中前驅(qū)膜鋪展的動態(tài)規(guī)律和標(biāo)度律，這里要涉及基底的親疏水特性。這些研究結(jié)果不僅可以作為電場下移動接觸線問題中基本難題“Huh-Scriven 佯謬”的第一個解答，而且成為納微系統(tǒng)驅(qū)動方式的一種突破。 當(dāng)然，這篇短文不可能說明上述電潤濕研究成果的全部科學(xué)內(nèi)涵，這里只能大體解釋一下若干基本概念：液滴鋪展，潤濕，親疏水，前驅(qū)膜，毛細力，電濕潤，電彈性毛細。 圖1.1給出液滴在固體表面上鋪展的圖示。可以看到，當(dāng)一個小液滴被釋放到固體表面時，一般情況下液滴會鋪展開來，也就是說，固/液界面會逐步取代原來的固/氣界面。這時固體表面就被液體“潤濕”了。如果液體能自發(fā)地鋪展，此過程便稱為“完全潤濕”；如果根本不發(fā)生鋪展，液滴在固體表面上仍保持圓球形狀，則稱之為“不潤濕”；實際情況中，往往是“部分潤濕”，即固體表面上的液體以液滴形式存在并具有一個平衡形狀。這時，按照液相和固相之間的接觸角 （參見圖1.2），我們可以定義固體表面特性為“親水”（ < 90 ）或“疏水”（ > 90 ）。  

圖1.1 液滴在固體表面上的鋪展

   

圖1.2 固體表面的親疏水特性

科學(xué)家在處理接觸角時，有兩種不同的途徑，一種是宏觀辦法，另一種是微觀辦法。前者認為固-液-氣三相之間有一條理想的“接觸線”，這條接觸線在液滴鋪展過程中在不斷移動著；后者認為在液滴的前端有一個厚度為 h0 的薄膜，它就是前驅(qū)膜，其厚度只有分子直徑的量級（參見圖1.3）。

   

圖1.3 接觸角的兩種處理辦法：（1）宏觀辦法（接觸線）；（2）微觀辦法（前驅(qū)膜）

科學(xué)家告訴我們：液滴鋪展的主導(dǎo)力是毛細力。毛細力實質(zhì)是表面張力，液體在豎直細管中爬升就是由液體的表面張力導(dǎo)致的。如果我們研究的液體是電解質(zhì)，而且固體介質(zhì)內(nèi)施加有電場，那么液滴鋪展就是電潤濕毛細問題了（參見圖1.4），而沒有電場條件下的鋪展則可稱之為“自由鋪展”。 

 

圖1.4 電濕潤中接觸線附近電荷與電場力分布示意

趙亞溥研究團隊利用分子動力學(xué)（MD）方法模擬了親水基底上二維的圓柱形水滴濕潤構(gòu)型（參見圖1.5）。圖1.5a給出的是水滴的初始構(gòu)型，圖1.5b給出的是水滴自由濕潤的構(gòu)型（可以看到這個平衡態(tài)中有前驅(qū)膜存在），圖1.5c給出的是在y方向上存在電場時水滴完全濕潤的構(gòu)型，圖5d示出自由濕潤情況中構(gòu)成前驅(qū)膜的水分子在原始構(gòu)型中的位置，圖5e則是前驅(qū)膜中的二維氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這些結(jié)果表明了：前驅(qū)膜的鋪展速度很快，形成前驅(qū)膜的水分子來自液滴表面，在電濕潤情況下前驅(qū)膜顯示出類固體性質(zhì)。

 

圖1.5 親水基底上前驅(qū)膜在液滴自由濕潤和電潤濕中的作用

最后，我們來解釋趙亞溥研究團隊所提出的“電彈性毛細（EEC）”概念。在此之前，需要先說明什么是“彈性毛細”？如果液滴是放置在一個彈性薄膜上面，薄膜可能在液滴的液氣界面張力垂直分量的作用下逐漸彎曲并最終將液滴包覆起來（參見圖1.6）。當(dāng)然，這里要求液滴尺寸滿足一定的條件?！白园病痹谖C電系統(tǒng)的器件裝配工藝中有著十分重要的應(yīng)用。  

圖1.6 PDMS彈性薄膜對液滴的自發(fā)包覆過程

但是，在應(yīng)用領(lǐng)域里，僅僅實現(xiàn)彈性包覆是不夠的，還需要對于液滴包覆過程的控制以及對包覆的解脫（即所謂的“解包覆”）?？茖W(xué)家能否實現(xiàn)這個逆過程——解包覆呢？趙亞溥研究員提出施加外加電場來改變固液界面張力，從而實現(xiàn)了彈性薄膜對于液滴的解包覆。他將這個新概念命名為“電彈性毛細作用”，這樣人們便可能進行可控-可逆的液滴封裝了。這個研究成果一經(jīng)發(fā)表便在國際學(xué)界里引起了關(guān)注，美國、韓國等國的學(xué)者跟進開展了EEC 研究。國際物理和化學(xué)的權(quán)威刊物《物理評論快報(PRL)》將它選為封面論文（參見圖1.7）。這里，在基底上的液滴被石墨烯膜包裹著（參見圖1.7a），由于電彈性毛細作用，前驅(qū)膜推動石墨烯鋪展，最終達到了解包覆狀態(tài)（圖1.7b-6g依次展示了石墨烯包覆解開的整個過程）。

   

圖1.7 電彈性毛細現(xiàn)象的分子動力學(xué)（MD）模擬

美國ASME-MEMS主席C.J. Kim 教授評價該工作“表明了從原子層次解決潤濕機理中基礎(chǔ)問題的潛力”。法國J. Berthier 教授在其出版的專著中整章節(jié)地介紹了上述電潤濕的研究結(jié)果。由趙亞溥研究員提出的“EEC”新名詞已經(jīng)被國際潤濕領(lǐng)域接受并引導(dǎo)了在國際上的研究熱潮，他還于2012年作為特邀客座編輯為國際期刊《Journal of Adehesion Science and Technology》主編了“電潤濕特刊”（Special Issue on Electrowetting，Vol.26，Issue 12-17）。電彈性毛細（EEC）不僅是學(xué)科研究的前沿問題，而且基于電潤濕原理的電子變焦微透鏡、電子紙、電潤濕顯示器等已經(jīng)問世。這種廣泛的應(yīng)用背景驅(qū)動著基礎(chǔ)研究的不斷深入。

作為科普文字，這里不可能把相關(guān)研究的細節(jié)全部加以說明，感興趣的讀者可以參閱趙亞溥研究員撰寫的兩部學(xué)術(shù)專著。
趙亞溥研究員出版的兩部學(xué)術(shù)專著