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玻璃基微纳通道的制造及应用研究

玻璃基微纳通道的制造及应用研究

作者：吴必成南京航空航天大学

学位级别：硕士

固态微纳通道,是指孔径小于几个微米的三维孔,当孔径小于100纳米时又被称为纳通道。固态微纳通道用于基因测序,被认为是快速测序方法中最具竞争力的一种方式。课题以固态微纳通道器件为研究对象,研究三维玻璃毛细管微纳通道工业化生产... 详细信息

固态微纳通道,是指孔径小于几个微米的三维孔,当孔径小于100纳米时又被称为纳通道。固态微纳通道用于基因测序,被认为是快速测序方法中最具竞争力的一种方式。课题以固态微纳通道器件为研究对象,研究三维玻璃毛细管微纳通道工业化生产的制造方法和工艺,研究其在生物和医药工程领域中的应用价值。本文以玻璃基微纳通道的工业化制造为研究对象,针对玻璃毛细管拉伸过程中出现的孔内径堵塞的现象,提出对玻璃基微纳通道的切割方法,制造孔径小于1μm的玻璃基微纳通道,以及探索其在微液滴生成领域的应用。具体工作如下:首先研究了玻璃基毛细管微纳通道拉制过程,针对微纳通道出现堵塞的现象,对前人的基于激光加热的毛细管拉伸装置提出改进,拉制出尖端堵塞的玻璃基毛细管且尖端未堵塞区域的内径小于1μm;其次利用振子的弯振为毛细管尖端提供位移载荷使其发生断裂,制造出微纳通道;然后分析了三维玻璃微纳米孔尖端断裂的机理,为玻璃管尖端切割装置的设计提供技术参数和理论可行性分析;搭建测试电路,对微纳通道的检测方法开展研究,研究尖端内径与尖端内阻值的关系;最后,在此基础上建立了微液滴生成装置,探索玻璃基微纳通道在微液滴生成领域的应用价值。该装置可使液滴克服粘性力落下并且落在可控的范围内,生成微米级尺寸的微液滴。

关键词：毛细管 ABAQUS仿真弯曲振动微纳通道微液滴

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微纳通道型真空漏孔研究进展

真空与低温 2020年第1期26卷 48-54页

作者：林文豫王旭迪合肥工业大学

传统真空漏孔存在难以实现尺寸可控制作、分子流压力范围有限等问题,而利用微纳通道型真空漏孔可以有效解决上述问题。本文阐述了一维/二维微纳通道型真空漏孔的加工方法,即使用光学曝光、刻蚀工艺在硅基底上制备微纳沟槽,结合键合技术... 详细信息

传统真空漏孔存在难以实现尺寸可控制作、分子流压力范围有限等问题,而利用微纳通道型真空漏孔可以有效解决上述问题。本文阐述了一维/二维微纳通道型真空漏孔的加工方法,即使用光学曝光、刻蚀工艺在硅基底上制备微纳沟槽,结合键合技术实现微纳通道密封;通过金属封装、玻璃浆料键合、毛细管连接工艺实现硅基微纳通道型真空漏孔与金属真空法兰的封装连接。该类型漏孔有望在真空计量、极小流量控制和漏率测试等方面取得应用。

关键词：真空漏孔微纳通道真空封装分子流

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玻璃基微纳通道制造与阻值规律研究

机械与电子 2017年第3期35卷 3-7页

作者：吴必成姚志远张亚飞机械结构力学及控制国家重点实验室江苏南京210016

玻璃基毛细管加热系统拉制的微纳通道的尖端会有堵塞现象,为了改进微纳通道的制造技术与研究其阻值规律,建立了一套磨针仪与电测系统。首先,用玻璃基毛细管加热系统制备外径1.5~10μm的玻璃基毛细管,通过基于超声电机与振动学原理制造... 详细信息

玻璃基毛细管加热系统拉制的微纳通道的尖端会有堵塞现象,为了改进微纳通道的制造技术与研究其阻值规律,建立了一套磨针仪与电测系统。首先,用玻璃基毛细管加热系统制备外径1.5~10μm的玻璃基毛细管,通过基于超声电机与振动学原理制造出的磨针仪磨制毛细管的尖端,然后用电测法判断磨制后毛细管尖端是否为通道。对于通道,用插值法拟合函数对内径小于10μm的玻璃基通道的尖端内电阻阻值进行计算,研究电阻和通道尖端内径的相关规律。实验结果表明,该磨针仪成功地磨制出孔内径小于2μm的玻璃基微纳通道,通道内的阻值和通道尖端内径成反比关系。

关键词：直线超声电机弯曲振动微纳通道电测法

微纳尺度通道中流体粘度特性的分子动力学研究

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微纳尺度通道中流体粘度特性的分子动力学研究

作者：骆双双中国计量学院

学位级别：硕士

随着科技的进步和纳米技术的发展,各种微纳器件的应用越来越广泛。许多微纳器件内部都涉及到流体的流动,而当特征尺寸减小时,流体会出现违背常规尺度流动规律的现象,目前有关微纳尺度下流体流动规律的研究还远远不够。本文利用分子动力... 详细信息

随着科技的进步和纳米技术的发展,各种微纳器件的应用越来越广泛。许多微纳器件内部都涉及到流体的流动,而当特征尺寸减小时,流体会出现违背常规尺度流动规律的现象,目前有关微纳尺度下流体流动规律的研究还远远不够。本文利用分子动力学方法深入研究了纳米尺度通道中流体的粘度特性,这对于微纳尺度器件的精确设计具有较大意义。首先针对纳米尺度通道流体流动模拟中壁面原子数过多,计算量过大的问题,提出了虚拟壁面方法,简化了模拟时壁面原子与流体分子之间作用力的计算,提高了计算效率。其次,在分子动力学中,通过模拟得到流体流动时的速度梯度与剪切应力分布,从而基于牛顿粘性定律,获得纳米尺度通道中流体的等效粘度分布。然后利用该方法研究了纳米尺度气体的平板Couette和Poiseuille流动,并分析了通道中的粘度分布规律。根据等效粘度分布可以把通道分为两个区域:中心区和近壁面区。中心区的等效粘度与文献中的实验值符合良好,而近壁面区的流体等效粘度受到壁面原子的影响偏离实验值,距离壁面越近,流体运动的速度梯度越大,等效粘度越小,壁面影响厚度在35纳米左右。当通道高度较小时,整个通道都属于近壁面区,此时,等效粘度值均小于实验值。接着论文比较了不同气体密度、温度、剪切速度、通道高度、流固分子相互作用强度等对流体等效粘度分布的影响。研究发现,在Couette流中,壁面影响厚度随着壁面原子对流体分子斥力的增加而减小;在Poiseuille流中,壁面影响厚度随着气体密度的增加而减小,温度越高,气体等效粘度越大,与气体粘度的变化规律一致。最后,利用分子动力学方法研究了平板纳米尺度通道中的液体Couette流动。研究发现,液体密度越大,等效粘度值越大;当通道高度小于20纳米时,高度越小,等效粘度值越大。

关键词：等效粘度壁面影响厚度分子动力学微纳通道

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极小流导分子流真空流导元件研究进展

真空与低温 2022年第6期28卷 720-732页

作者：林文豫王旭迪合肥工业大学合肥230009

作为真空计量关键器件,真空流导元件在真空检漏及相关测量领域中发挥着重要的作用。在众多类型的流导元件中,分子流流导元件因其流导特性受到广泛的关注。概述了几种极小流导分子流真空流导元件的研究进展,包括阳极氧化多孔氧化铝、硅... 详细信息

作为真空计量关键器件,真空流导元件在真空检漏及相关测量领域中发挥着重要的作用。在众多类型的流导元件中,分子流流导元件因其流导特性受到广泛的关注。概述了几种极小流导分子流真空流导元件的研究进展,包括阳极氧化多孔氧化铝、硅基微纳通道以及石墨烯分子流流导元件,介绍了它们的制作工艺及流导测试结果,各种极小流导真空流导元件的分子流压力上限均为105 Pa量级。极小流导的分子流真空流导元件可应用于非蒸散型吸气剂性能测试、真空泵抽速测试、真空室体积及密闭容器漏率测量。

关键词：真空流导元件分子流阳极氧化多孔氧化铝微纳通道石墨烯

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仿生微纳米通道的构筑及离子传输行为

仿生微纳米通道的构筑及离子传输行为

第十五届全国光化学学术讨论会

作者：闻利平中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学院重点实验室

仿生纳米孔道膜材料由于具有特殊的结构与新奇的性能,在能源、资源、环境以及健康等领域表现出巨大的应用前景。基于此,该团队多年来一直致力于仿生纳米孔道膜材料的制备与应用探索。首先,从仿生纳米孔道的设计、制备为起点,构筑了一系... 详细信息

仿生纳米孔道膜材料由于具有特殊的结构与新奇的性能,在能源、资源、环境以及健康等领域表现出巨大的应用前景。基于此,该团队多年来一直致力于仿生纳米孔道膜材料的制备与应用探索。首先,从仿生纳米孔道的设计、制备为起点,构筑了一系列不同形状的固态纳米孔道,并对其构效关系进行研究,揭示了影响纳米孔道内物质输运的规律,实现了光、电、热、pH、离子、分子单因素响应及多因素响应的可控离子传输固态纳米孔的制备;其次,从影响限域可控离子传输的因素如孔道的形状、带电状态、浸润性等多方面逐步引入"非对称性",实现了关键功能区可调的漏斗形纳米孔道的制备,提高了离子可控传输的稳定性;再次,基于嵌段聚合物自组装制备了漏斗状纳米孔阵列膜材料,实现了从"一"到"多"的非线性变化,达到了仿生纳米孔膜材料离子传输效率提高的目的。利用仿生纳米孔道膜材料进行化学势梯度驱动的能量转换体系的设计,得到了2.2瓦每平方米的功率密度,该材料表现出良好的商业价值。

关键词：仿生微纳通道离子传输能量转换

来源： cnki会议评论

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仿生微纳米通道的构筑及离子传输行为

仿生微纳米通道的构筑及离子传输行为

超快贝塞尔脉冲激光加工透明材料的微纳结构制造

中国化学会第十六届胶体与界面化学会议

作者：闻利平中国科学院理化技术研究所中国科学院仿生材料与界面科学院重点实验室

关键词：仿生微纳通道离子传输能量转换

来源： cnki会议评论

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超快贝塞尔脉冲激光加工透明材料的微纳结构制造

作者：陈天衢中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

超短脉冲激光具有超高的峰值功率密度与极短的时间弛豫尺度,可以在高透过率的透明材料中诱导非线性吸收效应,从而有效地在材料内部进行局域能量沉积,实现三维直写加工。同时,由于超快激光加工的精度主要取决于材料对光场的响应过程,从... 详细信息

超短脉冲激光具有超高的峰值功率密度与极短的时间弛豫尺度,可以在高透过率的透明材料中诱导非线性吸收效应,从而有效地在材料内部进行局域能量沉积,实现三维直写加工。同时,由于超快激光加工的精度主要取决于材料对光场的响应过程,从而可以实现超衍射极限的加工分辨率。因此,超快激光加工技术一直是在透明材料中进行微结构加工的首选工具。加工分辨率与深径比是超快激光加工微结构的两个重要指标,就目前来说,在达到100 nm量级的加工分辨率同时保持较高的深径比依然是个挑战。传统高斯型激光由于焦场较短,光束尺寸无法灵活调制等缺陷而不适合进行超高深径比微通道结构的加工。相比之下,无衍射贝塞尔光束由于具有极小的光斑直径,超长的无衍射传输距离与自我修复特性,而被广泛用于针对高分辨率,高深径比微结构的精密加工中。不同的材料样品具有的物理性质不同,针对特定材料样品存在有最佳的加工参数范围,因此对于特定材料开展探索性的参数扫描实验具有重要的现实意义。在这样的研究背景下,本文从超快贝塞尔激光与物质相互作用的基本原理出发,重点针对紧聚焦贝塞尔光束在多种透明材料中制备微纳米孔结构进行了详细的实验研究,探究了微纳米结构的形成机理,分析总结了三种材料的加工规律,最终在三种材料中成功制备了百纳米尺度的微孔结构。本文主要工作内容如下:（1）对轴棱锥调制产生高斯-贝塞尔光束的方法进行了研究,通过实际实验利用轴棱锥与4f系统对高斯型脉冲激光进行空间调制,得到了紧聚焦的超快贝塞尔光束。结合数值计算与实际实验的方法选定了合适的加工参数,成功搭建了一套高效的超快贝塞尔脉冲激光加工系统。（2）利用贝塞尔无衍射光束在高纯度熔融石英材料下表面制备出了大面积的微孔阵列,并通过详细的参数扫描实验总结出了石英材料的加工规律。随后结合贝塞尔激光光场与下表面相对位置的改变,发现并解释了内部材料在微爆的作用下会对下表面产生冲击,从而形成微孔结构的现象,并通过补充性实验对下表面微孔阵列进行了总体的形貌观测,进而对该现象的形成原因进行了佐证。（3）针对材料内部高深径比嵌入式微通道结构的高效表征一直是个难题,传统的光学显微,扫描电子显微镜与聚焦离子束切割等方法分别存在分辨率低,表征效率低等缺点。针对这个问题,本文利用研磨抛光与单次电镜扫描结合的方法完成了对石英内部微孔结构的多层次表征,测量得到材料内部微孔的最小直径可以达到67 nm,最高深径比可达523:1。文中分析了激光参数对于内部微孔形貌产生的影响,并结合微孔之间的相对位置数据成功还原了内部微通道的形貌结构,这一方法为表征嵌入式微尺度结构提供了新的思路。（4）为了推进超快贝塞尔光束的产业化应用,本文开展了针对商用铝硅酸盐玻璃的超快贝塞尔激光纳米孔结构的加工实验,发现了超快激光加工该材料时会产生纳米颗粒的现象。通过与石英材料物理特性的对比发现激光加工的热效应与该材料的高热膨胀率是该现象产生的主要原因。结合这一现象我们调制了激光参数的范围,最终于商用铝硅酸盐玻璃中制备出了最小直径为127 nm的微孔隙结构,证明了纳米颗粒形成理论的正确性,同时也总结出了商用铝硅酸盐玻璃材料加工的参数窗口（6-10 ps,10μJ/pulse）。该部分内容为商用透明材料中的超快加工研究提供了宝贵经验,推动了超快贝塞尔加工技术的产业化应用。（5）结合商用铝硅酸盐玻璃玻璃的加工经验,本文为高硬度高熔点C向蓝宝石材料选取了合适的加工参数,成功在蓝宝石材料上表面制备出了最小直径在133 nm尺度的高质量微孔,分析了脉冲参数对于蓝宝石表面微结构形貌的影响,找出了蓝宝石的加工窗口为脉冲宽度6 ps,脉冲能量大于21μJ。最后,通过对蓝宝石表面纳米颗粒形成的分析佐证了高热膨胀率与激光加工不可忽略的热效应是纳米颗粒形成主要原因的观点。该部分研究结果表明材料参数（熔点,硬度,杨氏模量,热膨胀系数和热导率等）对于激光加工具有重要的指导意义,为后续的研究工作提供了参考。

关键词：超快脉冲激光贝塞尔光束非线性吸收激光加工熔融石英铝硅酸盐玻璃蓝宝石高深径比微纳通道

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DNA分子拉伸过程中的动态特性研究

DNA分子拉伸过程中的动态特性研究

作者：杨媛媛西北大学

学位级别：硕士

作为一类重要的生物分子,DNA分子不仅因其承载基因信息有着重要的研究价值,更因为可作为生化、环境、食品安全、医疗微纳米传感器的基本构成单元而引起广泛关注。研究DNA分子在微纳结构内的动力学行为规律,探索其动态变化特性,有重要的... 详细信息

作为一类重要的生物分子,DNA分子不仅因其承载基因信息有着重要的研究价值,更因为可作为生化、环境、食品安全、医疗微纳米传感器的基本构成单元而引起广泛关注。研究DNA分子在微纳结构内的动力学行为规律,探索其动态变化特性,有重要的科学意义和实用价值。本文首先研究了在PMMA平面上利用分子梳法拉伸DNA分子时,DNA溶液浓度、pH值,以及基底表面平整性等因素对DNA分子拉伸及动态特性的影响,其次观察了DNA分子进入微纳通道时的动态特性。本文的主要内容包括以下几个方面：第一,对实现DNA单分子拉伸程中,DNA分子-DNA分子、荧光染料分子-DNA分子、DNA分子-基底表面之间的相互作用进行详细分析和总结。第二,利用分子梳技术在PMMA表面上实现了DNA分子的拉伸,详细分析了分子梳拉伸过程中,DNA分子由自由布朗运动——与疏水基底间特异性结合——拉伸平铺的整个过程中的动态变化特性。第三,分子梳实验结果表明缓冲液的浓度对DNA拉伸的长度、拉伸均匀性等结果具有重要影响,浓度的不同直接影响着样品液滴回缩的速度,进而影响DNA在其中的形态、DNA分子的拉伸长度。实验结果表明实现DNA分子拉伸的缓冲液浓度最佳值是10mM。第四,在毛细力作用下将DNA溶液引入石英微米通道,初步研究了DNA溶液进入通道时的动态过程。

关键词： DNA分子拉伸动力学性质分子梳法微纳通道