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项目名称：

微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究

首席科学家：

刘晓为哈尔滨工业大学

起止年限：

2012.1至2016.8

依托部门：

信息产业部

一、关键科学问题及研究内容

本项目针对MEMS器件微结构的运动界面效应严重影响器件性能这一共性问题，开展微纳惯性器件运动界面纳米效应的基础问题研究，为高性能MEMS惯性器件研究奠定基础，拟开展以下四个科学问题研究：

关键科学问题一：

限域空间内微纳结构运动界面纳米效应及调控

目前，对微结构的研究大都局限于在常规工作环境中的机电耦合分析。

对于更为复杂的新型微纳惯性器件，不仅涉及到典型的微纳机电结构，而且还需考虑微纳结构的界面效应、流体流变特性等问题，其相应的控制机理会与常规尺度有根本的不同。

微纳运动结构的工作区域通常处于封闭、动态和狭小的限域空间内，相对于一般开放空间而言，其运动界面的浸润性、粘附性可能呈现不同的变化规律。

界面性能在动态环境下能否保持稳定？

限域空间内界面效应对微纳器件的敏感结构特性的影响是否遵循一定的规律？

由于界面效应而导致的流体流动状态的变化对运动结构的动力学行为具有什么样的影响？

针对以上问题，需要围绕限域空间内微纳结构运动界面纳米效应及调控这一关键科学问题，开展以下三方面的研究：

（1）限域空间内微纳运动结构表面浸润性与粘附性

由于MEMS器件的比表面积远大于常规机械器件，因此，运动速度和稳定性强烈地依赖于微结构运动界面的特性，特别是在采用固液体系的MEMS器件中，固液界面上的浸润性、粘附性将对器件的性能产生严重影响。

另外，多数MEMS器件的运动界面处于封闭、动态流体、动态压强环境下，其浸润性和粘附性将不同于常规开放、常压、静态或准静态环境，需要有针对性地研究界面纳米效应在限域空间内的规律性和内在原理。

为此，将开展如下研究：

Ø限域空间内微纳结构表面形貌及化学组成对浸润性、粘附性等界面效应的影响

Ø限域空间内动态环境下微纳结构表面浸润性的稳定性及内在原理

Ø限域空间内微纳结构的温度变化对其表面浸润性、粘附性的影响及其智能调控方法

Ø限域空间内特定的器件材料、结构以及流固材料的匹配性对不同速度条件下界面纳米效应的影响

（2）纳米效应对微纳结构运动界面力学特性的影响

在微纳器件中，表面力的作用随尺度减小而增大，摩擦力和粘附力等表面力对器件性能影响很大。

在微纳器件中，摩擦力主要来自微纳结构界面分子及原子的相互作用。

界面纳米效应不仅将改变近壁面和限域空间内流体的流变特性，而且也在很大程度上决定着流固界面的粘附和滑移，进而影响结构的运动阻力。

为此，将开展如下研究：

Ø产生特殊纳米效应的流固材料优化匹配准则

Ø界面纳米效应对固体近壁面和限域空间内流体流变特性的影响

Ø界面纳米效应对流固界面滑移和界面粘滞阻力特性的影响

Ø运动界面力学行为对能量耗散影响的机理

（3）微纳结构运动界面纳米效应对限域空间内流场及系统热特性的影响

微纳器件流固界面的纳米效应直接影响限域空间内流体的流动状态。

运动结构壁面附近流体的流动状态会对流固界面的粘滞阻力产生影响。

在限域空间内流体会因粘滞力作用而产生热量，导致系统温升。

流体的粘温特性和系统的热特性将由于温升而发生变化，进而影响系统的整体性能。

为此，将开展如下研究：

Ø界面纳米效应对近壁面及限域空间内流体流动状态的影响

Ø界面纳米效应对流固界面处热生成、热传导的影响

Ø界面纳米效应对微纳器件热特性的影响

关键科学问题二：

微纳惯性器件跨尺度制造机理与控制

高性能微纳惯性器件对微纳结构运动界面的要求变得更为特殊与复杂，对制造方法的要求更高。

材料微观结构的调控和制备方法、跨尺度精密制造以及多种材料和工艺的兼容性对微纳惯性器件性能的影响已经成为亟待解决的问题。

对现有材料及其加工原理和技术提出了新的挑战，如：

加工表面形貌对浸润性和粘附性的影响；超对称、超平整、超低应力微纳结构的加工以及超持久耐摩擦纳米表面的制备；微纳运动结构微米尺度织构、纳米结构析出相形态的精确控制。

针对以上问题，需要围绕微纳惯性器件跨尺度制造机理与控制这一关键科学问题，开展以下三方面的研究：

（1）微纳惯性器件功能材料及表面纳米结构的制备与控制

现有材料很难满足高性能微纳惯性器件的要求，需要开展高性能微纳惯性器件材料和运动界面功能纳米结构制备方法的研究，揭示材料的成分、微观结构、制备方法等对其性能的影响机理。

为了获得良好的运动特性，在微纳结构表面需要实现纳米特殊浸润层的制备，同时需要研究纳米表面运动过程中的损伤机理，实现特殊浸润层的抗磨损。

为此，将开展如下研究：

Ø微纳惯性器件功能材料制备、微观结构及性能调控

Ø微纳惯性器件表面特殊浸润层的制备及稳固结构形成条件

Ø自适应、自组装腐蚀掩膜生长条件及形成机理

Ø运动界面纳米功能材料损伤机理与控制

Ø运动界面纳米功能材料组装条件及其在特定环境中的行为

（2）特殊微纳结构的跨尺度加工

微纳惯性器件中存在对超对称、超平整、超低应力的跨尺度关键微纳结构的需求，这对制造工艺提出了前所未有的挑战。

为了实现高平整度和高对称性跨尺度结构的加工，其加工方法的无应力控制至关重要，因此，不能通过对现有的加工制造方法的简单改进来实现微纳结构的制造，而是应该基于全新的加工理论，开展微结构的新加工方法和制造机理的研究。

为此，将开展如下研究：

Ø微纳结构加工过程中的应力场模型及残余应力分布规律

Ø超对称、超平整微纳结构跨尺度加工残余应力调控方法

Ø微纳结构跨尺度近无应力加工方法与制造机理

（3）多材料、跨尺度、复杂结构的兼容性制造机理

高性能微纳惯性器件的纳米功能材料多种多样，其制备方法更为复杂，同时微制造的器件结构和表面质量等因素又会对纳米功能材料产生显著影响。

比如，微纳惯性器件表面的特殊浸润层材料结合强度、耐损伤等性能与微纳器件结构的材料、表面质量等因素息息相关。

这就要求从不同材料和结构出发，探索跨尺度微纳加工工艺的兼容性制造机理，实现多种材料、复杂结构的微纳器件一体化集成制造。

为此，将开展如下研究：

Ø多材料、宏微复杂结构的兼容制造工艺机理

Ø微纳器件结构、尺寸和性能优化制造技术

Ø微纳器件一体化集成封装技术

关键科学问题三：

微纳结构运动界面的物理特性表征

限域空间内高速运动下的微纳结构运动界面由于纳米效应而变得极为复杂，使得微纳结构的表面浸润性、粘附性、力学、热学等特性与宏观体系有着很大的不同，这些物理特性对器件性能的影响需要通过有效的测试手段来评价。

目前对宏观尺度准静态结构的物理特性（如浸润性和粘附性、力学、热学）表征方法相对成熟，但对于限域空间内处于高速运动状态的微纳结构表面浸润性和粘附性缺乏有效表征手段；多场和多相作用下的微纳结构的动力学特性测试也尚无有效手段；同时高速运动的微纳结构表面流体的流动和传热均可能与经典理论的前提假设相违背，而且限域空间内高速运动流体的流动和传热行为的研究同样缺少有效方法，因此，流体的流动和传热行为的研究必须发展全新的表征方法。

针对以上问题，需要围绕微纳结构运动界面的物理特性表征这一关键科学问题，开展以下三方面的研究：

（1）限域空间内微纳结构运动界面浸润性和粘附性表征

随MEMS惯性器件结构尺度的减小，界面效应对其可动结构运动特性的影响越发显著，对限域空间内微纳结构运动界面特性及相关效应的精确表征已经成为高性能微纳惯性器件研究的关键。

为了建立微纳运动界面物理化学性质与界面效应之间的定量关系，必须对微纳运动结构的表面成分、表面形貌、界面浸润性与粘附性进行精确测量和表征。

为此，将开展如下研究：

Ø微纳结构界面成分分析

Ø微纳结构运动界面形态的测量和表征

Ø微纳结构运动界面浸润性与粘附性的测量分析和表征

（2）微纳结构运动界面的动力学特性表征

目前，对于微纳结构的力学特性测试都是在静态或准静态的约束条件下完成，其表征手段并不适合具有特定功能结构的力学性能分析，尤其是对微纳运动结构的动态测量，尚无完善的方法来获得其动力学性能和规律：

一方面传统运动结构的动力学规律难以直接运用到包含固液、固气、液气以及固液气多相包容的功能界面的动力学特性研究当中；另一方面，微纳运动结构受到表面力及固、液、气多相耦合的作用，其界面特性变化较大。

此外，受限空间的封闭特性和密封方法及多相运动稳定性的表征和测试等方面的研究需要深入研究。

为此，将开展如下研究：

Ø微纳运动结构的几何表征及其测试方法

Ø微纳运动结构的动力学参数提取方法

Ø微纳运动结构的流固界面滑移与粘滞力测试方法

Ø微纳运动结构的能量耗散与过载表征及测试方法

Ø受限空间的密封方法和封闭特性的表征和测试方法

（3）限域空间内微纳运动界面流体流动和热特性的表征

微纳结构运动界面在限域空间内的流体流动和热特性会直接影响运动结构的稳定性和微纳惯性器件的性能。

由于微尺度效应和限域空间的影响，宏观领域热特性和流体流动特性的研究方法已经不适合微纳运动界面的表征，而且高速运动下的微纳结构由于摩擦和阻尼可能也会改变限域空间中的多相环境特性，从而使得其工作环境变得复杂，进而影响器件的运动特性。

因此，研究限域空间内微纳结构热物理学和流体的动态特性表征方法极具挑战性。

为此，将开展以下研究：

Ø限域空间内微纳运动界面流体特性的表征与测试方法

Ø限域空间内微纳运动界面体系的热学测试等效模拟试验方法

Ø限域空间内微纳运动界面体系的热源及传热特性表征方法

Ø限域空间内微纳运动界面体系的热物理学特征分析及动态温度场测试方法

关键科学问题四：

运动界面纳米效应与微纳惯性器件性能的相关性

微纳惯性器件运动界面纳米效应对敏感结构运动特性具有显著的影响。

对新型微纳惯性器件液浮转子式微陀螺，可以利用纳米效应来调控运动界面的浸润性和粘附性，从而改善转子的运动特性，提高器件的性能。

对此，必须解答如下问题：

运动界面特殊浸润性与粘附性对陀螺转子运动特性的作用机制；陀螺转子运动状态对运动界面效应产生的影响；高速运动结构在运动界面产生的热量对陀螺性能的影响，针对以上问题，需要围绕运动界面的纳米效应与微纳惯性器件性能相关性这一关键科学问题，开展以下两方面的研究：

（1）运动界面纳米效应与液浮转子式微陀螺性能相关性机理

随着结构尺度的减小，液浮转子式微陀螺转子比表面积显著增大，运动界面对转子运动性能的影响更为显著；运动界面处液体、气体流场对转子表面浸润性、粘附性等界面效应产生明显的作用；陀螺转子工作过程中受多物理场与多相环境的耦合作用，使得运动界面与液浮转子式微陀螺性能之间产生更为复杂的相关性。

为此，将开展如下研究内容：

Ø多场、多相耦合下的微陀螺动力学建模

Ø微纳表面结构对转子运动速度和稳定性的影响

Ø流固界面表面张力对转子悬浮稳定性的影响

Ø微陀螺工作过程中热学特性对系统性能的影响

（2）基于界面纳米效应的液浮转子式微陀螺原理验证

为开展基于界面纳米效应的液浮转子式微陀螺原理验证，必须利用运动界面纳米效应与陀螺性能相关性机理的研究成果，综合考虑陀螺转子工作过程中所受磁、热、电、力等多场作用的机制，进行微陀螺结构建模与优化设计，研究陀螺转子的超稳驱动以及陀螺结构超微弱信号检测方法，利用跨尺度加工方法，实现陀螺原理演示系统。

为此，将开展如下研究：

Ø液浮转子式微陀螺结构建模与优化

Ø液浮转子式微陀螺超稳驱动控制与超微弱信号检测

Ø液浮转子式微陀螺原理演示系统的实现

Ø液浮转子式微陀螺的测试与性能表征

二、预期目标

1、总体目标

本项目针对我国国防武器装备和国民经济发展中对高性能微惯性器件的迫切需求，开展高性能微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究，揭示运动界面纳米新效应和新规律，阐明运动界面纳米效应和微纳惯性器件性能相关性机理，利用界面纳米效应改善敏感结构的运动特性从而有效提高器件性能，建立微纳惯性器件跨尺度制造的新方法和新工艺，实现基于运动界面纳米效应的高性能微陀螺的原理演示实验。

研究成果将为我国高性能微纳惯性器件实现自主研发和跨越式发展奠定基础，使MEMS器件运动界面纳米效应的理论研究达到国际领先水平，带动MEMS技术和纳米技术的全面发展。

2、五年预期目标

（1）发现运动界面的纳米新效应和新机理：

针对微纳运动界面纳米效应的基础问题，揭示高速运动界面的纳米新效应，建立产生特殊浸润性特性的流固材料的合理匹配准则，揭示纳米效应对微纳惯性器件流固运动界面力学特性的影响规律，为制备低摩擦阻力的特殊浸润性表面材料和结构提供理论基础；获得微纳惯性器件运动界面纳米效应对限域空间内流场及系统热特性的影响规律，最终为实现基于纳米技术的高性能微纳惯性器件的设计制造提供理论基础和设计依据。

（2）建立微纳结构的跨尺度制造新方法：

提出纳米晶粒尺度与织构精确控制的方法，耐持久摩擦的特殊浸润性纳米层的制备工艺，揭示运动界面纳米材料的磨损机理，建立微纳结构加工过程中的应力场分布模型，提出近无应力微纳加工方法；形成自上而下的表面纳米功能材料的精确控制制造方法，实现纳米结构制造均匀性优于10%，功能性材料组装的误差小于5%，微纳器件微细加工表面粗糙度达到亚微米精度,平面度达到微米精度，为高性能微纳惯性器件的跨尺度制造奠定坚实的技术基础。

（3）提出高速运动下微纳结构的物理特性表征新方法：

建立高速运动下微纳结构的数学模型，提出运动界面浸润性、粘附性、微摩擦、热生成等关键特性的测试方法，揭示微纳惯性器件能量损耗和噪声特性在微纳尺寸下的作用机理和随尺寸变化的物理规律，表征微纳结构表面形貌和化学成分对运动界面特性的影响，为理论研究和制造方法提供技术支撑。

（4）发明高性能微纳惯性新器件：

针对高性能微惯性器件的应用需求，探索基于界面纳米效应的液浮转子式微陀螺新器件；揭示运动界面的纳米效应和器件性能相关性机理，建立多场耦合下的MEMS陀螺转子的动力学模型，提出表面纳米处理实现转子减阻的新方法；建立微陀螺稳定驱动控制和微弱信号检测的新技术，实现基于运动界面纳米效应的液浮转子式微陀螺原理演示，其偏置稳定性达到0.1°/h，核心尺寸小于4cm3，为我国高性能微纳惯性器件的研制奠定理论基础并提供技术支撑。

（5）学术成果与人才培养：

5年内在国内外期刊上发表论文不少于200篇（SCI、EI收录），申请发明专利不少于20项，预计授权不少于15项。

建立MEMS惯性技术和纳米技术的研究平台，形成一支富有创新精神、具有国际水平的由纳米科学家、MEMS技术专家组成的学科交叉研究团队，带动纳米技术、MEMS技术、惯性技术的全面发展，同时在相关领域培养出30名以上中青年学术骨干和100名以上的研究生。

三、研究方案

1．学术思路

运动界面已成为MEMS器件向高性能发展过程中的共性问题，本项目从MEMS惯性器件的运动界面纳米效应的基础问题入手，通过对敏感结构表面进行纳米处理，利用界面纳米效应改善敏感结构的运动界面特性，从而提高MEMS惯性器件的性能。

从中凝练出四个关键科学问题：

限域空间内微纳结构运动界面纳米效应及调控，微纳惯性器件跨尺度制造机理与控制，微纳结构运动界面的物理特性表征，运动界面纳米效应与微纳惯性器件性能的相关性。

针对上述关键科学问题，以多学科交叉与最新的理论方法和实验技术，探索高性能微纳惯性器件中的新效应和新机理、制造新方法和表征新方法。

上述研究成果为实现基于界面纳米效应的液浮转子式新型微陀螺的设计和制作提供基础理论和技术支持，通过原理演示验证上述研究的正确性。

采用纳米技术解决MEMS器件的运动界面的共性基础问题，不仅能够推动惯性器件和纳米技术的发展，还能带动MEMS技术的全面发展。

2．技术途径

（1）分析界面微纳结构与流固材料匹配性对运动界面效应的作用机理，探索运动界面特殊浸润性和粘附性的有效调控方法；通过研究运动界面纳米效应对流体流变特性与流固界面滑移特性的影响，揭示界面浸润性和粘附性对流固界面运动阻力与热学特性的作用机制。

（2）利用掩膜、腐蚀与微细电火花加工等技术完成超对称、超平整、近无应力的超精密微结构的制造；研究纳米材料在微结构表面的可控组装方法以及微纳跨尺度加工的工艺兼容性，研究微结构特殊表面层的材料和纳米结构的制备方法；通过超精密微制造加工方法与纳米表面制作工艺相结合，实现微纳器件的跨尺度制造。

（3）通过对微纳结构运动界面、限域空间流体和传热特性、结构动力学和机械特性的测试方法研究，采用原位分析、环境模拟相结合，建立微纳结构运动界面物理特性的综合实验测试平台，揭示不同影响因素下微纳结构的界面纳米效应与其运动特性的变化规律，形成限域空间内微纳运动界面的建模准则和表征方法。

（4）根据上述研究结果，开展运动界面纳米效应与微惯性器件性能相关性的研究；建立液浮转子式微陀螺转子动力学模型；根据界面效应对器件的作用机制以及超微弱信号检测方法等建立微陀螺系统模型，进行结构优化设计；利用跨尺度加工方法完成基于界面纳米效应的微陀螺原理演示系统，实现对课题研究过程中提出的新原理、新技术与新方法的验证。

3．创新点与特色

本项目从微纳结构运动界面纳米效应、跨尺度制造机理、微纳结构运动界面的物理特性表征、纳米效应与器件性能的相关性等基础理论入手，开展高性能微纳惯性器件的研究工作，可望在以下三方面产生创新成果：

高性能的微陀螺新器件：

在转子式微陀螺原理的基础上，创新性地采用液浮技术提高转子运动的稳定性，通过对转子表面纳米处理实现其高速运动的减阻，有望大幅度提高MEMS惯性器件的性能。

运动界面纳米效应新理论：

通过研究高速运动状态下微纳结构的界面纳米效应，建立微纳结构运动界面的力、热、摩擦等理论模型，揭示纳米效应产生的机理及其对微纳结构运动特性的作用机制。

制造工艺与表征新方法：

建立用于高速减阻的纳米超持久耐磨特殊浸润层的制备新方法；建立超平整、超对称的特殊微纳跨尺度制造新方法；建立微纳结构运动界面浸润性、粘附性、动力学特性、流体流动与热特性等物理参数的表征新方法。

本项目的特色：

1）强调理论与实际应用相结合。

新的理论方法、加工方法和表征方法为高性能微纳惯性器件的研究提供基础，而高性能微纳惯性器件的原理演示又为理论与方法提供验证。

2）微米和纳米技术相结合。

在MEMS惯性器件研究的基础上，通过对MEMS器件表面纳米处理，探索运动界面的新纳米效应、微纳结合的加工新方法，开展基于纳米技术的高性能微纳惯性新器件研究，取得具有国际水平的创新研究成果。

3）多学科交叉的综合运用。

本项目结合了纳米技术、MEMS技术、精密机械科学、材料科学、表面物理化学、精密测量与控制等多个学科领域，有望在纳米技术和MEMS技术两个领域同时获得技术突破。

4．可行性分析

（1）项目参与单位的相关成果积累

本项目研究旨在揭示微纳结构界面纳米效应对其动力学、热学、摩擦学等特性的作用机理，建立微纳结构运动界面的相应理论模型；提出微纳跨尺度超精密加工以及运动界面的热学和动力学表征的新原理与新方法；实现基于界面纳米效应的液浮转子式微陀螺原理演示，对项目研究过程中提出的新原理、新技术、新方法进行实验验证。

本项目的研究队伍具有多学科紧密配合、研究条件互补性强的特点。

课题承担单位在相关领域有着坚实的研究基础和良好的实验测试手段，并在某些领域已经取得初步研究成果。

哈尔滨工业大学在微惯性器件集成及接口ASIC、超精密加工与微纳制造等方面已形成一系列具有国内领先、国际先进水平的成果；清华大学在纳米结构界面特性及效应研究、界面摩擦、微纳米测量和测试等方面取得了一系列具有较大国际影响的理论成果；中科院化学所在表面浸润性和粘附性的微观机理方面的研究具有国际前沿性；国家纳米科学中心在微纳米制造及微纳米形貌表征等方面开展了大量的具有影响力的基础研究工作；北京航空航天大学在惯性器件研究方面拥有大量先进设备及丰硕研究成果；中国科学院上海微系统所具有较完整的MEMS芯片加工、封装能力，并达到国际水平。

上述研究成果，为本项目的完成奠定了坚实的基础。

（2）项目参与单位的工作条件

项目参加单位在相关领域共拥有国家级重点实验室7个，教育部重点实验室2个。

哈尔滨工业大学拥有“精密热加工国防科技重点实验室”、“微系统与微结构制造教育部重点实验室”；清华大学拥有“精密测试技术与仪器国家重点实验室”、“摩擦学国家重点实验室”和“智能微系统教育部国防重点实验室”；中国科学院化学研究所拥有“有机固体国家重点实验室”；北京航空航天大学拥有“惯性技术国家级重点实验室”、“航空科学技术国家实验室”；中科院上海微系统所拥有“传感技术联合国家重点实验室”。

上述单位所具备的雄厚硬件设施，为本项目提供了先进可靠的实验条件和研发环境。

5．课题设置

本项目从高性能微纳惯性器件运动界面中纳米效应基础问题出发，在研究微纳结构运动界面纳米效应的基础上，充分考虑界面纳米效应与微纳器件性能的相关性，开展微纳器件跨尺度制造的新原理、新技术和新方法的研究，提出表征微纳结构运动界面物理特性的新方法，为研制高性能微纳惯性器件提供理论基础及技术支撑。

通过对基于运动界面纳米效应的液浮转子式微陀螺的研究，最终实现原理演示验证。

本项目的课题是按照分工明确、相对独立、彼此关联、目标具体、切实可行的原则来设置的。

研究目标、关键科学问题与课题设置的相互关系如图2所示。

图2本项目的研究目标、关键科学问题与课题设置的相互关系

针对科学问题一，设置课题一“微纳结构运动界面的纳米效应和作用机理研究”，立足基础理论研究，开展新原理、新方法的探索，为课题二和课题四提供理论支持。

针对科学问题二，设置课题二“高性能微纳惯性器件工艺制造与控制研究”，主要解决微纳器件跨尺度加工和控制难题，验证课题一的理论研究成果，为课题三和课题四提供技术支撑。

针对科学问题三，设置课题三“微纳结构运动界面的物理特性表征方法研究”，为课题一、课题二的研究成果提供测量、表征手段，同时将表征结果进行反馈，修正和完善课题一、课题二的理论与模型。

针对科学问题四，设置课题四“基于界面纳米效应的液浮转子式微陀螺研究”，以课题一、课题二的研究成果作为理论和技术支撑，探索运动界面的纳米效应与微纳惯性器件性能相关性机理，开展系统集成和应用技术的基础研究，形成高性能微纳惯性新器件。

通过上述四个课题研究，从不同层次解决四个科学问题，探索运动界面纳米效应的基础理论，完善高性能微纳惯性器件的理论体系，同时在关键技术方面取得原创成果，以便建立共性关键基础研究平台，从而为我国高性能微纳惯性器件基础理论研究成果达到国际先进水平奠定坚实的基础。

课题一、微纳结构运动界面的纳米效应和作用机理研究

预期目标：

研究不同材料和微纳结构的纳米效应产生特殊浸润性的原理，建立产生特殊浸润性流固材料的合理匹配准则，为制备低摩擦阻力的特殊浸润性表面材料和微纳结构提供理论基础；通过对微纳结构近壁面流场、界面滑移、传热特性的研究，揭示微纳结构流固运动界面效应的作用机理；通过对限域空间内流体流变特性的研究，获得微纳结构界面效应对运动阻力以及系统能量耗散的影响规律，最终为实现基于纳米技术的高性能微纳惯性器件的设计制造提供理论基础和设计依据。

主要研究内容：

（1）微纳结构表面特殊浸润性效应与机理研究

微纳结构运动界面的特殊浸润性（包括低粘附超疏水、高粘附超疏水、超亲水、水下超疏油等性质）是影响固液界面阻力和摩擦效应的关键因素，将借鉴仿生特殊浸润性原理，研究界面的微纳结构和化学组成与界面特殊浸润性的关系、界面特殊浸润性在限域空间和动态环境下的稳定性以及运动界面特殊浸润性的调控等。

（2）产生特殊纳米效应的流固材料匹配准则的研究

流固界面行为以及特殊微纳结构运动界面的纳米效应除与固体和流体自身的性质有关外，还取决于流固材料的合理匹配。

将研究不同固体材料和不同流体的组合在不同速度下的界面行为，建立产生特殊纳米效应的流固材