Nanofluidics

Nanofluidics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:
作者:Edel, Joshua (EDT)/ De Mello, Andrew John (EDT)
出品人:
页数:212
译者:
出版时间:2008-12
价格:$ 220.35
装帧:
isbn号码:9780854041473
丛书系列:
图书标签:
  • 纳米流体学
  • 微流体
  • 流体物理
  • 纳米技术
  • 材料科学
  • 生物物理
  • MEMS
  • 传感器
  • 表面化学
  • 输运现象
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具体描述

In his now celebrated lecture at the 1959 meeting of the American Physical Society, Richard Feynman pondered the potential of miniaturization in the physical sciences. His vision, based on known technology, examined the limits set by physical principles and proposed a variety of new nano-tools including the concept of "atom-by-atom" fabrication. In the intervening decades, many of these predictions have become reality. In particular, the development and application of nanofluidics is becoming a competitive and exciting field of research. These nanoscale analytical instruments employ micromachined features and are able to manipulate fluid samples with high precision and efficiency. In a fundamental sense, chip-based analytical systems have been shown to have many advantages over their conventional (larger) analogues. Despite the growth of this field, there are surprisingly few books dedicated to nanofluidics. This book will fill the gap in the literature for a text focusing on bioanalytical applications. Written at a level accessible to experts and non-experts alike, it has the potential to become a mainstream text book for advanced nanobiotechnology courses within academic institutions.

《微尺度流体动力学前沿与应用:从界面效应到生物医学工程》 内容简介 本书深入探讨了在微米乃至纳米尺度下,流体行为所展现出的宏观尺度所不具备的、引人入胜的物理现象和工程潜力。我们聚焦于微尺度流体力学(Microfluidics)和介观尺度传输现象的核心原理,旨在为读者构建一个从基础理论到尖端应用的全面知识体系。全书结构严谨,理论推导详实,同时辅以大量实际案例和实验验证,力求兼顾学术深度与工程实践性。 第一部分:微尺度流动的基本物理图像与控制机制 本部分旨在奠定读者对微纳尺度流体行为的直观理解。我们首先回顾宏观流体力学的基本方程,随后重点剖析当特征长度尺度缩减到微米量级时,惯性力相对于粘性力(雷诺数急剧下降)和表面力(毛细力、电润湿力、范德华力)的主导地位如何重塑流动范式。 1.1 表面张力与界面动力学: 详细分析了杨-拉普拉斯方程在微小尺度下的修正,并探讨了弯月面的形成、接触角滞后现象以及如何利用界面张力梯度驱动流体的Marangoni效应。特别关注了在微通道内液滴的成核、传播、合并与破碎的动力学过程,这对数字微流控系统至关重要。 1.2 粘性主导下的流动模式: 深入阐述了Stokes流和Creeping Flow的数学模型及其在低雷诺数环境下的适用性。内容涵盖了精确求解Poiseuille流动在矩形和非圆形通道中的压力-流量关系,以及如何处理微通道中的边界层分离和回流现象(尽管在低Re数下不常见,但其对微结构设计的影响需审慎评估)。 1.3 电驱动的微尺度输运: 这是本领域的核心驱动力之一。我们详尽解析了电渗流(Electroosmosis, EOF)的机理,包括电双层(Electric Double Layer, EDL)的结构、zeta电位的影响,以及如何利用外加电场精确控制微通道内的流速和流场分布。内容还扩展到电润湿(Electrowetting)现象及其在可编程液滴操控中的应用,包括电子墨水显示和可重构微泵设计。 1.4 扩散与传热在微尺度下的特性: 讨论了由于低Peclet数导致的对流混合效率低下,使得扩散成为微尺度混合和反应的主要机制。我们引入了时间尺度分析来比较对流、扩散和电迁移的时间尺度,并探讨了如何利用微通道的高纵横比设计来增强热交换效率,即热点管理在微反应器中的挑战与对策。 第二部分:微纳结构中的复杂流体行为 本部分着重于流体与固液界面或复杂介质相互作用时出现的非理想性。 2.1 固液界面的效应与“无滑移”假设的失效: 探讨了在纳米通道中,流体分子与壁面的相互作用如何导致局部滑移速度的产生。内容涉及流体分子吸附、表面润湿性对摩擦因子的影响,以及利用表面粗糙度或化学修饰来调节界面传质的策略。 2.2 多孔介质与颗粒流: 针对多孔结构中的流动,我们运用了达西定律(Darcy's Law)的微观基础,并过渡到Brinkman方程以解释近孔隙壁处的粘性效应。此外,深入分析了在微流控芯片中对细胞、微粒进行分离、捕获和计数时,流体驱动的离心力、介电泳力(DEP)和惯性聚焦的协同作用。 2.3 复杂流体的微流控处理: 涵盖了高分子溶液、悬浮液、乳液等复杂流体在微通道内的非牛顿流变学行为。例如,讨论了剪切稀化、粘度各向异性对微通道内压力降和混合效率的影响,以及如何利用这些特性实现生物大分子的定向排列。 第三部分:前沿应用与系统集成 本部分将理论与工程实践紧密结合,展示微尺度流体技术在解决实际科学问题中的强大能力。 3.1 生物与医学微流控系统(Bio-Microfluidics): 这是本书应用最集中的领域。详细介绍了“芯片上的实验室”(Lab-on-a-Chip, LOC)的设计原理,包括: 单细胞分析: 利用微流控技术实现对单个细胞的精确捕获、培养、刺激和表型分析,如基因表达谱的单细胞测序前处理。 微流控芯片上的器官(Organ-on-a-Chip): 探讨如何通过精细控制流体剪切应力、物质交换速率,模拟体内生理环境,用于药物筛选和毒理学评估。 微流控诊断(Point-of-Care Testing, POCT): 分析如何利用微通道的快速混合和高通量筛选能力,实现快速、低成本的血液或体液检测。 3.2 微反应器与化学合成: 阐述了微流控技术如何通过极高的表面积体积比,实现对反应动力学和热力学的精确控制。内容包括: 快速、安全的化学合成: 实现了对爆炸性或高放热反应的瞬时混合与温度控制。 纳米材料的自组装与结构控制: 如何通过精确控制流场、浓度梯度和结晶速率来制备尺寸均一、形貌可控的纳米颗粒、量子点和微球。 3.3 能源与环境应用: 探讨了微尺度流体在新能源技术中的潜力,例如微尺度热管理系统的高效散热,以及微流控反应器在燃料电池微结构设计中的优化作用。 结论与展望: 本书最后总结了当前微尺度流体力学面临的挑战,特别是多物理场耦合(如流-固-热-电耦合)的建模难度,以及如何从二维设计向三维、可集成系统的规模化制造过渡。同时,展望了人工智能和机器学习在优化微流控设备设计和数据解析中的未来角色。 本书适合高等院校的流体力学、化学工程、生物工程、材料科学以及生物医学工程等专业的高年级本科生、研究生及相关领域的科研人员和工程师阅读和参考。通过系统学习,读者将能掌握设计、构建和应用下一代微尺度流体系统的核心技术和理论基础。

作者简介

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读后感

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用户评价

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坦白讲,这本书的某些章节对我来说,读起来更像是在进行一次哲学思辨,而不是简单的科学学习。它没有过多关注那些已经被充分研究透彻的经典案例,而是将笔墨聚焦于那些尚未完全被理解的前沿和边界问题。比如,书中对“非平衡态热力学在微尺度下的适用性”的探讨,以及对“流体剪切力与细胞膜响应”之间复杂耦合的分析,都极具启发性。作者的写作风格非常具有批判性思维,他不断地质疑现有模型的局限性,并尝试构建更具普适性的理论框架。这种“追问本质”的态度,极大地激发了我对现有知识体系的反思。书中对不确定性分析和误差传播的介绍也相当到位,它提醒我们,在处理如此精密的系统时,对实验误差的量化是多么重要。这本书的阅读体验是挑战性的,它要求读者不仅要理解“是什么”,更要思考“为什么会这样”,甚至“有没有更好的解释”。它成功地将物理学、化学以及生命科学的交叉点剖析得淋漓尽致,是一部真正体现跨学科研究精髓的力作。

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这本书给我的感觉,就像是走进了一个极其复杂的工业设计蓝图之中。它花了大量的篇幅来探讨如何将基础的物理原理转化为实际可操作的工程应用,尤其是在“微系统集成”和“生物传感”这两个方向上,论述得尤为深入。作者似乎对当前产业界面临的挑战有着深刻的洞察,比如如何提高微通道内的传热效率,或者如何设计出对低浓度生物分子具有高灵敏度的捕获系统。书中对各种微纳加工技术,例如光刻、刻蚀、软光刻的优劣势进行了客观的比较,并结合流体效应分析了不同工艺路线对最终器件性能的潜在影响。我注意到其中关于“电泳与扩散共同作用下的粒子分离”一章,简直是为生物医学工程专业的学生量身定制的宝典。它不仅仅停留在理论层面,更给出了许多实用的设计参数范围和优化策略。这本书的结构安排非常巧妙,章节之间的过渡自然流畅,从宏观的设备设计理念,逐步聚焦到微通道内的具体流场控制,层层递进,让人对整个微流控系统的构建过程有了全局性的认识。对于希望从事相关领域工程开发的人士来说,这本书无疑是一份不可多得的实战指南。

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这本书的配图质量和排版设计,是众多专业书籍中少有的亮点。它的字体选择和行距处理都非常人性化,使得即使面对大量的专业术语和复杂的图表,眼睛也不会感到过分疲劳。更令人称道的是,它对历史渊源的梳理非常到位。在介绍某一重要概念时,它会追溯到最初提出该理论的先驱者,并穿插介绍当时的研究背景和实验条件的局限性,这使得知识的传承变得立体而有温度。比如,关于界面张力测量的历史演变,作者娓娓道来,让人仿佛置身于那个科学发现的黄金时代。这本书的叙事节奏把握得恰到好处,在深入的技术探讨之后,总会穿插一些总结性的段落,帮助读者消化吸收刚刚学到的复杂信息。我发现自己不仅学会了新的知识点,更重要的是,我的“研究视野”被极大地拓宽了。它让我意识到,每一个看似简单的流动现象背后,都蕴含着深厚的物理原理和漫长的探索历程。这本书非常适合作为研究生课程的参考教材,因为它在传授硬核知识的同时,也潜移默化地培养了读者严谨、开放的治学态度。

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老实说,这本书的学术密度高得惊人,我花了比预期多出一倍的时间才勉强读完前三分之一。它毫不留情地将流体力学的纳维-斯托克斯方程在极小尺度下的简化与修正摆在了读者面前,并且对每一个简化假设的物理合理性都进行了详尽的论证。这本书的行文风格非常直接,几乎没有冗余的形容词或空洞的套话,每一句话都承载着明确的信息和严密的逻辑推导。我尤其佩服作者在处理边界条件问题时的细致入微,特别是对于不同材料表面的润湿性如何影响整体流动特性的分析,引入了许多前沿的分子动力学模拟结果作为佐证。对于那些期望快速获得结论的读者来说,这本书可能会显得有些“劝退”,因为它要求你必须扎实地掌握相关的数学工具和基础物理概念。但对于真正想深入理解其内在机制的研究者而言,这种深度恰恰是其价值所在。书中配有的图表清晰度极高,很多三维的流线图和势能曲面图,都经过精心设计,帮助我们将抽象的数学模型转化为直观的物理图像。它更像是一部参考工具书,而不是轻松的读物,但其提供的知识深度,绝对值得反复查阅和钻研。

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这本书的封面设计极具视觉冲击力,那种深邃的蓝色调搭配着微观世界颗粒的几何图形,立刻抓住了我的眼球。初翻开扉页,我便被一种严谨而又充满探索精神的学术氛围所笼罩。它没有立刻陷入那些晦涩难懂的公式推导中,而是花了相当大的篇幅来勾勒出“微观尺度下的流体行为”这一宏大叙事背景。作者似乎非常擅长于将复杂的物理现象,通过生动形象的类比和历史脉络的梳理,逐步引导读者进入这个迷人的领域。比如,书中对于毛细现象在纳米尺度下被量子效应和表面张力主导的描述,简直是教科书级别的精彩。我特别喜欢它对实验技术的演进所给予的关注,从早期的微流控芯片设计到如今利用原子力显微镜对单分子流动的实时观测,每一步的革新都被清晰地串联起来,展现出科学进步的迭代之美。它不是一本冰冷的技术手册,更像是一位经验丰富的导师,耐心地为你揭示隐藏在微小尺度下的宇宙规律。阅读过程中,我常常需要停下来,反复咀嚼那些关于界面动力学和电动力学相互作用的章节,那种豁然开朗的感觉,是阅读学术著作时最珍贵的体验。这本书的行文流畅,逻辑清晰,即便是对这个领域接触不深的新手,也能感受到其内容的深度和广度,为后续更深入的研究打下了坚实的基础。

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