复杂流体

来自复旦大学黄吉平课题组
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复杂流体及其应用

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电流变液

电流变液 [Electrorheological(ER)Fluids],是一种智能材料,通常由具有高介电常数的固体微粒均匀分散在低介电常数的绝缘油中组成。在外加电场的作用下,这种材料的粘滞系数能够得到显著增强,当电场强度高于某个临界值时,从而由液体转变为固体,这个转变的过程可以在瞬间(通常为毫秒量级)完成,且这种转变在撤去外加电场时是可逆的。所以,电流变液在紧急制动、减震器等领域有着重要的潜在应用价值。其实,电流变液在上个世纪40年代末,就被发现,之后的几十年研究缓慢,直到90年代,热潮再起,至今,方兴未艾。2003年,香港科大沈平教授课题组报道了一种新型的极化分子型电流变液,这种材料的静态屈服应力(一个重要的参数,与粘滞系数成正比的关系)比通常的电流变液大得多。当时,他们把这种电流变液叫做“巨电流变液”。对于这种材料呈现出来的巨电流变效应,有不同的理论解释,起初是饱和极化理论,之后,有学者提出极化分子的取向极化理论等。近来,我们研究了极化分子型电流变液,旨在阐明极化分子型电流变液的工作机理,这对设计新型电流变液材料具有一定的理论指导意义。

铁磁流体

铁磁流体(又称磁流体)是一种含有单畴纳米(10 nm)铁磁颗粒的胶体悬浮液,它既具有磁性又具有流动性的新型功能材料。实际应用时,为了避免铁磁流体中铁磁颗粒的絮结,这些铁磁颗粒表层通常附着一层长链聚合物分子或者带电电荷。研究铁磁流体的历史可以追溯到1964年Papell制备铁磁流体的第一个专利,之后铁磁流体并应用于宇航服可动部位的真空密封。由于铁磁流体具有独特的性质和潜在的应用价值,受到人们的广泛关注。经过几十年的发展,铁磁流体现已在机械、化工、航天、能源、冶金、仪表、印刷、环保和医疗等领域得到广泛的应用。传统的磁流体产品主要有密封、阻尼器和扬声器等。近几年,又出现了许多新的应用,如磁流体传感器、药品输送和热传递装置等。例如,在生物医学应用中,在非均匀外磁场作用下,铁磁流体作为药物的载体可以在人体内实现靶向给药,对治疗肿瘤有显著的效果。铁磁流体的诸多应用都依赖于铁磁流体的结构和磁性质。铁磁颗粒在外加磁场作用下,颗粒间相互作用比较显著,从而导致体系的结构和磁性质发生显著变化。我们主要研究在外加磁场作用下,铁磁流体的结构、磁性质和光学性质等,为其实际应用提供理论指导。

纳米通道内的分子输运

在生物体系和工业生产中,分子的迁移现象非常普遍,高分子、DNA、RNA、多肽、蛋白质分子和水分子为了某种需要,经常穿透纳米尺寸的狭长通道或小孔。例如:为了产生新的细胞和蛋白质,蛋白质与RNA穿过细胞核上的小孔来传递信息。由于线粒体无法产生它们所需要的蛋白质,必须要通过两层蛋白质膜从细胞质中输入蛋白质等物质。利用电生理学技术,科学家们已经能够直接研究分子的迁移过程,实践证明,已经能够将一条解旋的DNA或RNA单链在电场的作用下通过纳米尺寸的狭长的通道,这些研究对于我们了解大分子的输运过程具有重要意义。水分子通过细胞膜上的蛋白质Aquaporin进入细胞体内,对Aquaporin的深入研究,人们发现Aquaporin通道上存在的残基电荷驱动水分子单向流动。中国科学院上海应用物理研究所的方海平研究员利用Aquaporin这一原理,在纳米碳管附近放电荷,理论上得到了水分子能在电荷调控下单向流动的结论。这项研究对解决目前海水淡化问题提供了新的思路。我们基于已有研究,设计对各种尺度分子输运的新方法。

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