多物理实验表征平台

作为研究物质流动与变形的科学，流变学涉及原子、分子、纳米、介观和宏观连续界质等各个特征尺度动力学以及它们之间的非线性耦合问题，是促进学科融合、孕育智能制造与加工学科链的重要抓手。为了研究各种复杂流体的（微观或宏观）本构关系，研究所构建了集成化的多物理实验表征平台，主要设备包括ARES-G2高级应变控制流变仪及电、磁流变原位测量模块组件和其它流变测量配件；DHR-3高级应力控制流变仪与小角光散射原位测量、界面流变测量模块组件和其它流变测量配件；新型CaBER 拉伸流变仪（包含拉力传感器和高速摄影模块）；JPK纳米跟踪光镊系统（微流变力学测量）；Nanoscribe 3D飞秒激光直写系统；台式扫描电镜；动态流体膜干涉仪；LB膜分析仪；扩散波谱仪；自主发明的流变芯片技术与微流控研发平台。这些技术涵盖分子水平上的表征，剪切和拉伸条件下的流变和微观结构动态表征，在复杂粘弹流场下应力场和动态速度场的表征等。除了常规的力学、流变与激光原位测量技术以外，流变所还拥有基于流变芯片的独特表征技术。

图1 典型流变芯片技术的应用：（a）高分子溶液剪切黏度测量；（b）高分子溶液拉伸黏度测量；（c）跟踪流体微结构动态演化的流动诱导双折射光测量；（d）通过micro-PIV测量得出的瞬态流线图；（e）与图（d）相对应的瞬态链分子沿流线拉伸形变云图；（e）以 Wi~Re为坐标变量的高分子流体动力学相图

微流控技术致力于精准调节和操控微尺度流体，终极目标是把诸如样品制备、反应、分离和检测等传统实验室和工业加工过程缩微到微流控芯片上重现，从而获得样品用量少、高灵敏、低成本、高通量、低能耗、高可控、多功能等诸多技术优势。流变所在采用微流控技术测量高分子溶液的流变特性已经积累了十多年经验。袁学锋教授发明的芯片流变仪具有样品用量少、惯性影响低、灵敏度高、可进行实时流变和微观结构动态表征、并可仿真微米量级的微流场环境等优点。如图1所示，这一该缩微流变仪可测量剪切和拉伸粘度，其剪切率的量程要比商业流变仪的量程高出两个数量级，实现了当前商业流变设备还不具备的功能，还可用于对高分子溶液的常规流变力学与激光荧光粒子跟踪原位测量，并已经成功用于高分子溶液在一系列El数和Wi数条件下以定常和非定常流动通过“陡峭收缩流”道的定量表征。若干世界著名生物医药公司已经应用于抗体蛋白药的快速筛选、配方和加工工艺的设计和优化。这一技术有望在细胞快速检索、临床检测等生物医学领域，以及软物质材料的高通量分子和配方筛选、全数字化设计和制造中得到广泛应用。

如图2所示，多物理实验表征平台可实现基于系统流变学方法的力学调控、结构调控和大规模制造中的工艺调控，能够有力支撑复杂流体的前沿学术研究，包括1）大分子溶液体系从稀溶液的单分子动力学到半稀和浓溶液动力学的实验表征，为构建大分子溶液非线性动力学理论和多尺寸模拟数学模型，揭示“弹性湍流及湍流减阻”的动力学机制奠定基础；2）研究碳纳米管、石墨烯、量子点等纳米颗粒悬浮液体系的配方与流变特性、溶剂挥发成膜性的定量关系，为溶液法大规模制造半导体器件提供理论和技术支撑；3）研究乳液体系中液滴的破碎和融合的界面动力学过程，为绿色炼油工艺开拓新路；4）研发基于微流芯片技术的复杂流体高通量表征平台，用于快速构建纳米颗粒悬浮液体系的相图，筛选“电子墨水”、“生物墨水”配方，优化大规模制造工艺。

图2可应用于溶液法大规模制造电子或生物功能器件的系统流变学调控策略