Droplet | 香港中文大学徐磊教授团队 | 流体超构材料的设计原理、实验以及应用

文摘   2024-09-29 15:20   吉林  








文章导读
流体操纵蕴含着深远的工程意义,涵盖了生物、化工、能源与环境等关键应用领域,具体包括运输减阻、微流控芯片设计、精准药物传递、生物组织的体外培养等潜在应用。流体超构材料汲取了光学、电磁学和热学等物理领域超构材料设计灵感,运用变换光学理论、散射抵消理论和拓扑优化等方法,通过人工设计的结构实现了对流体的精准操纵,其中的操纵效果包括:流体的隐身、聚集和旋转等。类似于其他物理领域的超构材料,流体超构材料通过独具匠心的人工结构设计,可实现诸多奇妙的流体操纵行为,因此突破了传统材料在流体操纵中的应用局限。更重要的是,在实现这些神奇功能的同时,避免了对流体侵入性的干预,彰显了流体超构材料独特的非入侵性特质,即不干扰原始的流场分布。因此,在流体控制的领域中,流体超构材料的兴起是科学与工程的相互融合,为人类开发新兴技术带来了前所未有的机遇与前景。

近期,香港中文大学物理系徐磊教授团队在Droplet(《液滴》)期刊上发表题为“Hydrodynamic metamaterials: Principles, experiments, and applications”的综述文章(封面文章),系统地阐述了流体超构材料的设计原理、实验方法及应用前景,回顾了流体超构材料这一新兴领域的发展历史,重点解读了最新的研究进展,并提出了该领域当前面临的挑战和对未来研究方向的展望。该综述文章将为材料科学领域的进一步研究提供重要的指导和启发,为开发出更加新颖、智能、多功能的流体超构材料奠定基础。

该综述回顾了流体超构材料从流体隐身衣开始到实现多种多样功能流体器件的发展历程,并对该研究领域的现状进行了全面概述。首先介绍了流体力学超材料的基本理论与实验方法,然后说明了流体力学超级材料在多孔介质流和Hele-Shaw流中可实现的不同功能。此外,还重点展示了近年来新型的流体多功能超构材料;在分析现有研究的亮点与薄弱点后,提出了流体超构材料的主要挑战与未来的研究方向;最后阐述了流体超构材料广阔的应用前景,其中包括流体减阻运输、微流控器件的设计和生物组织的结构设计等。

图1. 基于不同设计原理的流体隐身衣的实验实现

图2. 在多孔介质流中实验实现了具有隐身、聚集与旋转功能的流体超材料

图3. 基于不同理论设计方法实现的主动式流体隐身衣

图4. 基于流体力学的多功能流体/热学超构材料智能可调器件

图5. 流体超构材料在各个领域的应用前景

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原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/dro2.79


作者简介


第一作者

陈梦瑶

陈梦瑶博士,在香港中文大学物理系取得博士学位,后进入南方科技大学物理学流动站,在李保文院士组从事博士后研究,研究领域为软物质、流体超构材料、热学超构材料。以第一作者在知名学术期刊PNAS, The Innovation, Applied Surface Science, Soft Matter等发表学术论文,主持中国博士后面上基金1项。



通讯作者

徐磊

徐磊教授,香港中文大学物理系教授,博士生导师。1995-2000年在中国科学技术大学物理系读本科,2000-2006年在芝加哥大学(University of Chicago)物理系攻读博士学位,2006-2009年在哈佛大学(Harvard University)工程与应用科学学院进行博士后研究。2009年起在香港中文大学物理系任教至今。

主要研究方向:软物质以及凝聚态实验物理,重点关注与日常生活紧密相关的物理现象,比如液滴与固体表面的撞击;力学超构材料以及流体超构材料的研制;多孔材料中的流场;包括液体到固体的相变(如结晶,玻璃化转变)等基本物理过程。到目前为止,徐磊教授以第一作者以及通讯作者在知名学术期刊(Nature Materials, Nature Physics, Nature Communications, PNAS, Physical Review X, Physical Review Letters)发表论文多篇。一些重要成果曾被中外知名媒体如纽约时报(New York Times)芝加哥太阳时报(Chicago Sun Times),科学美国人(Scientific Americans)香港文汇报,香港星岛日报等报道。



通讯作者

沈翔瀛

沈翔瀛博士,本科和博士均毕业于复旦大学物理系。博士毕业后赴香港中文大学物理系从事博士后研究工作。2021年10月被南方科技大学聘为副研究员。主要研究方向为热传导超构材料、流体超构材料、非晶力学网络超构材料。在Nature Materials, Physical Review Letters, PNAS, The Innovation, Science China Physics & Astronomy, Physical Review Applied, Applied Physical Letters, International journal of heat and mass transfer等知名学术期刊上发表论文三十余篇。 



期刊简介


  Droplet(《液滴》)是由吉林大学主办,与国际著名出版公司Wiley合作出版的英文国际性学术期刊,是国际上第一本全面报道液滴/气泡交叉领域科研成果的学术期刊。目前为季刊,主要发表液滴/气泡相关领域的原创性研究论文、综述及评论性文章,重点报道与液滴/气泡相关的结构、材料和系统设计、制备和仿生调控等方面的基础研究及工程应用。现任主编为中国科学院院士任露泉教授、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校C.J.Kim教授。执行主编由香港理工大学王钻开教授担任。

  目前,Droplet(《液滴》)已被国际著名数据库EI CompendexDOAJ收录。本刊旨在成为跨学科的高水平学术交流平台,展示液滴和气泡相关领域的前沿研究成果,推进国际科研传播与合作。

  编辑部总编:张成春教授,副总编:王丹编审。

国际仿生工程学会
学会旨在增进各国仿生学者之间的学术交流与合作,推动仿生工程领域科学研究的发展,提升仿生工程人才的培养教育水平。学会秘书处常设在中国长春吉林大学,是目前在中国教育部所属高校中唯一设立秘书处的国际学术组织。
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