GOALI/Collaborative Research: Ferromagnetic Nanowires for Bio-inspired Microfluidic NanoElectroMechanical Systems (NEMS)

GOALI/合作研究:用于仿生微流控纳米机电系统 (NEMS) 的铁磁纳米线

基本信息

  • 批准号:
    1000863
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 12.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2010
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2010-07-01 至 2012-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The objective of this Grant Opportunity for Academic Liaison with Indusrry (GOALI) Collaborative Research project is to to use magnetic nanowires to mimic the cilia found ubiquitously in nature in order to produce transformative in situ NEMS sensors of boundary layer flows and magnetically actuated mixers in microfluidic channels. In nature, tremendous variability is found in the geometries of cilia structures, as illustrated by the hair-like mechanoreceptor examples from fish, insects and mammals. Engineered cilia found in the literature exhibit cylindrical, curved and/or rectangular geometries. New fabrication methods that will not only improve control of these 2-D branching capabilities but will extend the ability to 3-D, allowing one to build in 3-D branching geometries in a wide variety of ferromagnetic materials. Fluid-structure interaction modeling will be used to predict optimal materials and geometries which will enable prototype hair-cell flow sensors and actuators to be fabricated. Nanowires geometries to date have been limited to planar structures and in our case cilia vertical to a planar substrate. The variety of shapes found in biological cilia suggests that optimization of nanowire geometries for use in flow sensors and actuators will require the ability to fabricate complex structures that are matched to targeted flow regimes. Therefore, novel templates will be used for 2D and 3D cilia geometries. For the microfluidic applications, tailoring of nanowire geometries requires understanding of low Reynolds number, laminar flows, i.e. regimes for which Navier-Stokes flow formulations for mean flows and Prandtl/Blasius solution formulations for the boundary layer are quite reasonable, and for which computational models of fluid-structure interaction compare well with measured flows. Computational modeling of 2D structures will be extended to the 3D structures grown in this investigation. These cilia sensors and actuators will have impact well beyond the microfluidic applications that were proposed. Many micro- and nano-robotics would benefit from these nanosensors and arrays. Also, biological species themselves will be better understood with artificial sensing as their impact on the whole system can be evaluated without adverse affects to other functions as often occurs in biological studies. The PIs will organize a co-ed and girls-only summer camp in circuits and students from each school will be exposed to this interuniversity, interdisciplinary, industrially applied program.
与工业联络(Goari)协作研究项目的学术联络机构的目标是使用磁性纳米线来模仿自然界中普遍存在的纤毛,以便产生边界层流的原位传感器,并在微富集频道中产生磁性磁极的混合器。在自然界中,在纤毛结构的几何形状中发现了巨大的可变性,如鱼类,昆虫和哺乳动物的头发样机械感受器的例子所示。文献中发现的纤毛纤毛表现出圆柱,弯曲和/或矩形几何形状。新的制造方法不仅可以改善对这些2-D分支能力的控制,而且可以将能力扩展到3-D,从而可以在各种铁磁材料中以3-D分支的几何形状构建。流体结构相互作用模型将用于预测最佳的材料和几何形状,这些材料和几何形状将使原型发型流动传感器和执行器得以制造。迄今为止,纳米线的几何形状仅限于平面结构,在我们的情况下,纤毛垂直到平面底物。生物纤毛中发现的各种形状都表明,在流动传感器和执行器中使用纳米线几何形状,将需要能够制造与目标流动方案匹配的复杂结构。因此,新型模板将用于2D和3D Cilia几何形状。对于微流体的应用,量身定制纳米线的几何形状需要了解较低的雷诺数,层流流,即用于平均流量的Navier-Stokes流量配方的制度和PRANDTL/BLASIUS解决方案公式用于边界层,以及对于哪些计算模型,以及哪些计算模型,以及哪些计算模型。 2D结构的计算建模将扩展到本研究中生长的3D结构。这些纤毛传感器和执行器将远远超出提出的微流体应用。许多微型和纳米机制将从这些纳米传感器和阵列中受益。同样,通过人工传感,可以更好地理解生物物种本身,因为可以评估它们对整个系统的影响而不会对其他功能产生不利影响,因为在生物学研究中经常发生。 PIS将在电路上组织一个男女同校和只有女子的夏令营,每所学校的学生将暴露于这个跨学科的工业跨学科,工业应用程序。

项目成果

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