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    崔景芹


    高级工程师

    联系电话:15960281703

    电子邮件:jqcui@xmu.edu.cn

    地址:厦门大学亦玄馆306室

     

    2000毕业于浙江大学,获生物化学工程学士学位。2000年-2003年于中科院过程工程所攻读并获生物化学工程硕士学位。2008年9月在纽约市立大学城市学院(the City College, the City University of New York)化学工程系获得博士学位,主要研究不对称双面神粒子(Janus particles)制备、性质表征及应用。2008年10月-2010年1月,2010年2月-2011年11月分别在约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)、欧道明大学(Old Dominion University)进行博士后研究工作,研究方向为胶体粒子介电泳组装制备特异材料(Metamaterials)和双面神粒子诱导电荷电动力学(Induced-charge electrokinetics)在微流体中性质。2012年1月-2013年2月在纽约市立大学城市学院进行访学继续双面神粒子-复杂流体系统的理论分析与应用研究。2013年3月加入厦门大学萨本栋微纳研究院任高级工程师。

    科研兴趣与方向:

    胶体一般指高分散的多组分多相系统,其中连续相被称为分散介质,而不连续相如微小颗粒(可以是固体、液体或气体)等则作为分散相分布在整个分散介质中;界面则指的是物质相与相交界的区域,厚度从几个分子层到几十分子层。在胶体系统中分散相单个颗粒尺寸在微观分子和原子之间(通常1~1000 nm),总界面面积比宏观态增加几个数量级,因此在胶体系统中界面发生的物理和化学过程需要更细致的研究,两者相辅相成互为补充。胶体系统与界面科学在日常生活和工业生产中常有见到,比如烟、雾、毛细现象、润湿现象、洗涤除污、催化作用等,其理论原理在近代广泛应用于石油开采、矿物浮选、化学工业、食品加工、纺织印染等传统工业,而近年来随着微纳科技的发展与进步,胶体和界面科学在纳米材料、传感技术、生命科学、可持续能源等热点方向需求继续发挥作用。课题组借助相关知识在相近方向应对最新挑战,力争为前沿问题提供解决方法或思路。

    课题组主要方向包括(1)胶体微纳粒子可控组装、微纳结构体系设计;(2)功能粒子的合成、修饰、操控与应用;(3)不对称双面神粒子(含补丁粒子)的设计和应用。欢迎有物理、电磁学、流体力学、化学工程、无机材料、胶体/界面科学、电化学等背景和基础知识的同学加入。

    具体研究项目:

    1. 可控组装、新型微纳结构与器件;

    自组装和可控组装一般指胶体粒子在外界环境作用下组合排布成有序结构的过程。通常在毛细作用和重力场中发生的粒子排布为自组装,而在电场、磁场、热场、或化学场等外加作用下发生的排布直至达到目的结构为可控组装。比如光子晶体(photonic crystals)便是由相应粒子组装成的具有光子带隙特性的周期性电介质一、二、三维结构,利用交流电场引发的介电泳力控制粒子是实现有规则组装结构的方法之一。图1展示了叉指电极中单个聚苯乙烯粒子被介电泳作用力控制在势阱中。图2展示了四电极电场中利用介电泳力控制聚苯乙烯粒子组装成的圆拱顶型六方紧密堆积结构。而当粒子本身性质不对称(双面神粒子)比如半球面为导电物质、半球面为介电物质时,其与电场的作用更表现出特殊性,观察到组装成导电半球面连成一线、介电半球面分列两边的锯齿状结构。这样特殊的低维/高维组装或可应用于实现新功能的电、磁、光特异材料等。此外,我们也可以利用纳米材料结构、组分、取向、功能等各种性质的严格可控合成,将微纳材料(包括不对称粒子)有效整合于高性能的微系统微结构,如传感器件、电池电极、超级电容器等应用于环境、医学、能源等方向。

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    图1:实验装置及光学显微镜图像(左);电场在xz平面上势能分布(中);粒子在x方向上势能和轨迹(右)。

    (J. J. Juarez et al. Langmuir, 2011, 15, 9211–9218)

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    图2:四电极中心介电泳组装的六方紧密堆积三维结构。共聚焦显微镜图像(左);理论模拟组装结果(右)。

    (J. J. Juarez et al. Soft Matter, 2012, 8, 94-103)

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    图3:可控水热法合成的MnO2纳米线(左);Stober法合成的SiO2亚微米球(右)。(课题组合成)

    2.基于不对称微纳粒子的原位探针(国家自然科学基金);

    在实验流体力学中经常利用微纳级粒子跟随流体流动示踪获得被测流场的信息,比如Particle Image Velocimetry就利用激光示踪粒子位移踪迹获得瞬时、多点、无干扰的信息来推判流场空间结构和流动特性。此外利用微纳粒子单颗粒成像也已应用于实时检测病毒致病机理和推导与宿主细胞作用的模型。利用光学追踪,测量装置不会介入干扰流场或待测环境,提供的信息比许多其它方法更接近于真实状况。我们在这一理论基础上将光学不对称双面神(Janus)胶体粒子引入黏弹性流体作为微探针,示踪微探针布朗运动的踪迹、利用高效准确的图像及数据分析获得表面-流体相互作用的量化信息。新颖之处在于因为其光学不对称性,我们不仅可以复原粒子的平动运动,还能够清晰地示踪粒子在三维空间内的转动运动,增加了信息量和信息准确性,球体转动信息仅在光学不对称双面神粒子出现后才成为可能。这种微探针方法仅需要微升样品量,而且具有测量频率范围广、测量直接、能够恢复流体原位真实性等优点。研究目的是希望能够精确地测试分析流体性质,在不久的将来开展微探针示踪实时分析在抗体筛选、结合特性、药剂开发等相关领域的应用。

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    图4:光学对称微球示踪测得的水粘度(左);光学不对称微球示踪原理(右)

    J.-Q. Cui et al., Colloids and Surface A, 2017

    3.微流控系统及其应用;

    微流控系统利用微纳级管道传递流体,因为管道的微小尺寸,液体流动主要为与管壁平行的低雷诺数层流。利用层流特性,可以实现化学物质或细胞在微通道中的有序排布。然而,在层流情况下,传质主要途径为缓慢的分子扩散,液体混合过程相对困难,在需要加快传质过程和液体混合时不能有效实现期望结果。在将电学不对称微球放入外加DC电场的微流控管道中时,我们观察到如图5左所示微球在一定范围内既可以连续前行移动,又可以连续转动。其原因是导电表面在电场中产生的诱导电荷使得表面双电层内电荷/离子分布也受影响,电场作用下这些电荷/离子带动液体在粒子表面产生涡流,从而影响了原本的电渗流和粒子电泳方向。转动的产生可能加速液体混合,提高微反应器传质过程效率。在实验的同时我们也开展仿真模拟研究,以深化对诱导电荷-微流控系统的研究,为应用提供理论指导和预测。利用微流控技术最终期望将生物、化学、医学分析等过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到厘米级大小的综合芯片上,实现分析过程自动化、可移动化。

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    5:电学不对称微球在微流道中运动示意图(左);多相物理场仿真模型搭建(右)(J.-Q. Cui, 2015, in preparation

     

    主要文章及会议摘要

    1.      S. Li, W. He, P. Deng, J.-Q. Cui, B. Qu*, ‘Ultra-long cycle life of sodium-ion batteries in VS4-G nanocomposite structure’, Material letters, 2017, 205, 52-55.

    2.      D. Long, H. Guo, J.-Q. Cui, X. Chen*, M. Lu, ‘Rapid etching of carbon fiber induced by noble metal nanoparticles’, Material letters, 2017, 197, 45-47.

    3.      J.-Q. Cui*, D. Long, P. Shapturenka, I. Kretzschmar*, X. Chen, T. Wang ‘Janus particle-based microprobes: determination of object orientation’, Colloids and Surface A, 2017, 513, 452.

    4.      J. J. Juarez, B. Liu, J.-Q. Cui, M.A. Bevan*, ‘kT-Scale Colloidal Interactions in High Frequency Inhomogeneous AC Electric Fields. II. Concentrated Ensembles’, Langmuir, 2011, 27, 9219.

    5.      J. J. Juarez, J.-Q. Cui, B. Liu, M.A. Bevan*, ‘kT-Scale Colloidal Interactions in High Frequency Inhomogeneous AC Electric Fields. I. Single Particles’, Langmuir, 2011, 27, 9211.

    6.      A. Maliakal*, J.-Q. Cui, I. Kretzschmar, L. Zhu, ‘Patternable electroactive polymer actuators incorporating titania core-poly(butal-acrylate) shell nanoparticles’, PMSE Preprints, 2008, 98, 169.

    7.      J.-Q. Cui and I. Kretzschmar*, ‘Surface-anisotropic polystyrene spheres by electroless deposition’, Langmuir, 2006, 22, 8281.

    8.      J.-Q. Cui, I. Kretzschmar, P. Shapturenka, ‘Brownian dynamics of Patchy spheres: the effect of viscosity and surface coating’, 88th ACS Colloid & Surface Science Symposium, June 2014, Philadelphia, PA

    9.      J.-Q. Cui, ‘Microfluidic electrophoresis of metallodielectric Patchy particles’, 88th ACS Colloid & Surface Science Symposium, June 2014, Philadelphia, PA

     

    发布时间:2016/8/12 11:09:56  浏览次数:打印此页】【关闭

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