微尺度传热及其研究进展

微纳制造中的微尺度传热现象研究微纳制造技术的飞速进步推动了众多领域，如信息技术、生物医学、能源转换等的革新，而其中的微尺度传热现象研究则成为了该领域的一个关键环节。

在微纳尺度下，传统宏观传热理论与规律不再完全适用，因此，深入探索微尺度下的传热机制对于提升微纳器件的性能、效率与可靠性至关重要。

本文将从六个方面探讨微纳制造中的微尺度传热现象研究。

一、微尺度传热的基本特征与挑战微纳尺度下的传热现象显著区别于宏观尺度，主要表现在以下几个方面：首先，界面效应对热传导的影响加剧，微小的接触面积和不平整表面导致热阻增加；其次，受限几何尺寸引起的尺度效应，如Knudsen数增大，导致传热方式从连续介质传热转变为分子传热；再者，热辐射性质的变化，因尺度缩小，表面间距离接近，导致辐射传热作用增强。

这些特征给微纳制造中的热管理和设计带来了新的挑战，需要开发新的理论模型和实验技术来准确描述和预测微尺度下的传热行为。

二、微纳结构的热导率调控微纳结构的特殊几何形状和组成材料赋予了其调控热导率的能力。

例如，通过纳米线、纳米薄膜、纳米孔隙结构的精确设计，可以实现热导率的大幅度降低或提升，这对于热绝缘材料和高效率热电转换器件的开发尤为重要。

此外，利用量子点、石墨烯等二维材料的独特热传导性质，可以实现定向热流控制，为微纳电子设备的热管理提供创新解决方案。

三、微流控系统中的传热优化微流控技术结合微纳制造工艺，在生物芯片、化学合成等领域有着广泛的应用。

在微流道中，流体流动与传热相互作用复杂，微尺度效应导致的边界层变薄、湍流提前出现等现象，对热交换效率产生显著影响。

研究微流体流动下的传热特性，优化微通道结构和操作条件，对于提高传热效率、减少能量消耗具有重要意义。

此外，利用微流控中的相变传热，如微沸腾和冷凝，可进一步增强热传输能力。

四、热辐射的微纳调控在微纳尺度下，热辐射特性受到表面粗糙度、形貌和间隔距离的影响更为明显，这为通过设计特定的表面结构调控辐射热传递提供了可能。

纳米流体强化微尺度换热的研究进展王振;武卫东;周志刚【摘要】综述了纳米流体强化微尺度换热的研究进展。

总结了近几年纳米流体应用于微尺度换热器中的实验研究。

从两方面对纳米流体强化微尺度换热的机理进行了分析：纳米颗粒本身对换热特性的强化；纳米颗粒改变换热表面特性对换热的强化。

介绍了纳米流体强化微尺度换热的数值模拟研究。

指出了当前研究中存在的问题和不足，并对今后的研究工作进行了展望。

%Research on micro-scale heat transfer enhancement of nanofluids was described. The latest re-search develoPments of the exPerimental study on nanofluids used in microscale heat exchanger were sum-marized. The mechanisms of nanofluids enhancing micro-scale heat transfer could be divided into two divi-sions,the nanoParticles themselves and nanoParticle changing the surface ProPerties of heat transfer. The numerical simulations of nanofluids enhancing micro-scale heat transfer were introduced. The Problems and deficiencies that existed in the current research were Pointed out,and the ProsPect of future work were analyzed.【期刊名称】《应用化工》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】5页(P1314-1318)【关键词】纳米流体;微尺度;强化传热;研究进展【作者】王振;武卫东;周志刚【作者单位】上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093;上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093;上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1;TK021.3随着科技的不断发展，热交换系统的换热负荷日益增大，同时对换热设备的尺寸要求也越来越严格。

微小尺度传热实验研究及应用分析传热是指热量从高温度物质传递到低温度物质的过程。

而微小尺度传热实验研究的重要性在于，它可以为我们提供更深入、更详细的了解物质传热现象的机制，以及在工程实践中如何更有效地利用传热现象。

一、微小尺度传热实验研究的现状目前，微小尺度传热实验研究已经成为了热力学、材料科学等领域的重要分支。

在实验方面，随着微加工技术的发展，越来越多的实验方法得以应用，比如纳米加工、原子力显微镜成像技术等。

这些方法可以更好地展示微小尺度传热现象的不同特性。

在理论方面，微小尺度传热模型的研究也得到了越来越多的关注。

比如一些新型纳米材料、纳米流体的传热特性，以及微小尺度下原子和分子运动的仿真等等。

这些模型为微小尺度传热的实验研究提供了更深入的理论支持。

二、微小尺度传热实验的应用实际应用中，微小尺度传热研究的应用场景非常广泛。

以下是其中的两个例子：1. 纳米材料的研究纳米材料的应用范围非常广泛，包括生物医学、能源、环保等领域。

然而，由于其尺寸非常小，人们对纳米材料的传热机制和性质的理解尚不充分。

微小尺度传热实验研究可以为我们提供更深入的了解，帮助我们更好地底层理解纳米材料的传热机制，并为其性能的改进提供参考。

2. 热管理领域的应用在电子产品、汽车、航空航天等领域，热管理一直是一个重要的问题。

针对微小尺度传热的实验研究，可以为这些行业提供更精准的热管理解决方案。

三、微小尺度传热实验研究存在的问题尽管微小尺度传热实验研究在科学研究和工程应用中的重要性得到了广泛认可，但是其研究仍然存在一些问题。

1. 实验难度大由于微小尺度的限制，微小尺度传热实验研究难度非常大。

现代加工技术的发展虽然提高了实验技术的水平，但难度仍然存在。

2. 数据处理困难在微小尺度下，实验所需的数据量大，且数据的处理非常复杂。

这给实验过程中的数据采集和处理带来了一定的困难。

四、结论综上所述，微小尺度传热实验研究是当下热力学、材料科学领域的重要分支。

新一代高效换热器设备的研究进展随着工业化进程的加速和节能环保的重要性日益凸显，热能利用效率成为工业生产过程中的重要考量因素。

换热器作为一种常见的热能转移设备，发挥着关键的作用。

近年来，研究人员不断致力于提高换热器的热传递效率和能源利用效率，推出了一系列新一代高效换热器设备。

本文将对这些研究进展进行探讨。

首先，微尺度换热器是当前研究的热点之一。

由于微尺度换热器具有更小的传热路径和更大的表面积，使得流体之间的传热更为充分。

例如，微通道换热器利用微小通道内的流体纳米尺度层流来提高传热性能。

研究人员通过优化微通道的形状、选择表面涂层材料以增加表面活性，以及调节流体流速和温度梯度来提高热传递效率。

此外，纳米流体作为传热工质也被广泛运用于微尺度换热器中，其独特的流变性质和热传导性能也为换热器的高效化做出了贡献。

其次，相变材料换热器在能量存储和回收方面显示出了潜力。

相变材料具有在相变温度范围内吸热或放热的特性，引入相变材料作为换热介质，可以显著增强换热器的热传递效率。

例如，蓄热式相变材料换热器可以将多余能量存储到相变材料中，在需要时释放能量，实现能量的高效利用。

此外，相变材料换热器还可以用于废热回收，在工业生产中有效地回收废热能，降低能源消耗和环境污染。

再次，换热器表面增强技术在提高换热效率方面取得了显著成果。

传统的换热器表面通常是光滑的，这导致热传递效率有限。

通过表面增强技术，可以在换热器表面引入微小的结构，如翅片、螺旋形通道等，以增加表面积和湍流运动的程度。

这种增强表面结构可以有效地提高传热和传质效率。

同时，还可以采用耐磨材料和防腐涂层等措施，增强换热器的耐久性和使用寿命。

通过这些技术手段，换热器的热传递效率可以大幅提升。

此外，计算机模拟和优化设计在新一代高效换热器设备研发中扮演了重要的角色。

借助计算机模拟软件，可以对换热器的热传递和流体运动进行精确的数值模拟和分析。

通过优化设计，可以提前预测和避免设计缺陷，优化换热器结构和工艺参数，使得换热器性能得到最大程度的改善。

微细尺度传热研究及其应用摘要：微细尺度传热问题来自于微电子机械系统中的流动和传热问题。

它的特点是当空间和时间尺度微细化后,出现了很多与常规尺度下不同的物理现象,其原因可以分为两大类：一类是连续介质的假定不再适用,另一类则是各种作力的相对重要性发生了变化。

所需研究的挑战性问有：导热系数的尺度效应、导热的波动现象, 微小通道中流动和传热, 流动压缩性和界面效应等的影响,微细尺度下的辐射和相变等。

本文综述微尺度热科学的理论建模、实验测试方法及计算机模拟等三方面的研究进展,重点讨论各理论模型的适用条件及优缺点以及介绍了微尺度传热在各领域的应用。

关键词：传热,微细流动, 微细传热, 微细相变, 尺度效应，模型1、引言微电子领域是最早提出徽尺度流动和传热问题的工程领域, 随着电子计算机容量和速度的快速发展以及导弹、卫星和军用雷达对高性能模块和高可靠大功率器件的要求,一方面器件的特征尺寸愈小愈好,已从微米量级向亚微米发展, 另一方面器件的集成度自1959年以来每年以40%～50%高速度递增。

80年代中期,每一个芯片上就已有106个元件,虽然每个元件的功率很小,这样高的集成度使热流密度高达5×10 5W/m2,它已相当于飞行器返回大气层高速气动加热形成的高热流密度。

要在毫米甚至微米量级的器件尺度上把这样高的热量带走,传统的冷却技术和传热关系式已不再适用。

特别要强调的是, 微电子器件的可靠性对温度十分敏感,器件温度在70℃～80℃水平上每增加1℃,其可靠性将下降5%, 所以微电子器件的冷却问题早在80年代中期己成为国际微电子界和国际传热界的热点。

美国IEEE每年召开的半导体器件的热测量和热管理会议到1999年已召开了15届。

美国ASME组织的电子系统中热现象会议到1997年已开到第7届。

目前CPU的速度是3.3nm（300MHz）,微电子系统发展方向是智能化,要求CPU的速度是10ps～1ps,即要求速度提高2～3个量级,而速度的提高主要受限于器件的功耗和散热能力,因此空间微尺度和时间微尺度条件下的流动和传热问题的研究显得十分重要。

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充满机遇的微尺度生物传热传质学21世纪青年学者论坛充满机遇的微尺度喳物传热传质学博士,研究员刘静(中国科学院低温中心,一了E系1oo08o)R'摘要:微米,纳米尺度传热学正成为世界范围内的一个新的研究热潮,而其中的生物传热与传质问题研究更是引人瞩目的新生长点.为适应该领域迅速发展的需要,本文归纳和总结了微米,纳米尺度生物传热传质学的研究意义,当前的主要研究课题厦其相应的基本理论与实验研究方法,指出了若干可供探索的逄径和新方向,对微米,纳米尺度生物热医学工程的应用问题也作了必要的介绍.关键词:微米,纳米科学生命科学生物传热传质学生物医学工程微电子机械系统一,引亩正如为大多数领域内学者们所逐渐认同的那样,二十一世纪是生物学的世纪,如今很难找到一门完全独立于生命科学的学科作为揭示自然界物质运动规律的最基本的学科之一,微尺度热科学在揭示生命热机理并将其应用于临床实践方面正起着越来越重要的作用.种种生物热医学技术均涉及到大量的微米t纳米尺度传热传质问题,因为从本质上,温度对生命系统的影响同时体现在纳米(分子)及微米(细胞)尺度,而这种影响又反映到组织的宏观尺度上.微尺度热科学在生物医学,工程上的角色可归纳为:研究生命系统内的细观和微观传热问题,揭示各种热物理因素对生命系统在微尺度水平的影响规律,并将现有关成果充分地应用于临床实践.微尺度生物传热传质学的工程背景可在大量的生物材料和微小生命个体的保存,血液冷冻干燥,低温外科,高温肿瘤热疗和基因疗法,热康复技术,分子热操纵,心律不齐的热方法消除,无损的超声及红外图像引导的手术,可移植生物材料中的热限制问题,热诊断,温控药物输送等中找到,其研究必将对理解生命的设计,生物对各种冷热环境的响应,各种工业产品热安全标准的建立,发展极端温度下的热保护装置及大量的临床热应用产生重要的影响.在众多的物理因素(如电磁,声,光,热等)中,温度显着地影响着微尺度水平上的生命行为,自然界的长期演化使得各处生物均有其最适宜生存的温度范围,一旦环境温度发生改变,则往往会带来一系列后果.正常的哺乳动物只能在一个十分狭窄的温度范围内生存,其体温上下一般不超过10℃.然而在地球表面的大气温度,海水冻结温度及沸腾温度之间,如南极地带及海f蘸火山口均存在有生命,这说明温度与生命的关系是多样化的.临床上关于热对生命的影响研究不外乎兰种温度范围】,印(1)正常的哺乳动物生理温度;(2)高于正常哺乳动物生理温度的情况;(3)低于正常哺乳动物生理温度的情况.微尺度热医学工程的首要任务就在于充分揭示温度对细胞生命活动的作用规律.细胞是最小的生命组成单元,一个细胞即是一个有机体,其外部由脂双层膜组成.内部剜含有细胞内溶液——细胞质,细胞质内又分为若干个细胞器.许多细胞如血液细胞,造血于细胞,生殖细胞受冷,热因素影响的研究肯有重要意义.各种细胞的尺寸分布在从数个微米(如精子及血红细胞)到效百微米(如卵母细胞)的范围,但大多数在效十微米.生物活体组织中最重要,也最易受到温度影响(损害)的部位是细胞膜,其典型厚度为:O皿.细胞膜的功能是将细胞内的可控环境与外界不可控环境分离开,并调节细胞内外环境之间的物质翰运.细胞的脂双层膜主要是一个半透膜,它含有离子通道及其它用以辅助细胞内外溶液输送的蛋白质.长期以来人们采用各种各样的途径如低温扫描电镜,x一射线衍射以及数学模拟等方法对发生在细胞内外的传热,传质以及一系列由此引进的物理,化学行为进行了研究】,但迄今对此机制的仍严重匮乏.温度对生命的影响是多方面的,如通过改变温度,还可以实现生物节律的调节,这大大拓展了以往普遍认为的生物节律主要受光影响的认识,有人甚至报道,温度会'刘静(LlLJ-1蛳.4一).男.博士.研究员.1992年7月毕业于清华大学.同时获得动力工程与控制专业工学士学位显现代应用钉理专业理学士学位19嘶年2月获清华大学工程热物理专业礤士,博士学位.19嘶年3月至1997年10月任鼓于清华大学.19町年11月至1999年6月为黄国大学机械工程学院博士后研究员.1999年6月直中国科学院百人计划之聘回国.任中国科学院理化技术研究所低温中心研究员.为美国机械工程师学舍(^蛐).电气与电子工程师学台(皿E)会员.井担任中国{6哇学会理事主要从事生物热医学工程学与徽米,纳米尺度传热学方面的空卫谭题研究.已在国内外棱心刊物发表论文帕泉篇.井出糖学术专着1都(性物传热学).科学出版社.1妍).编写精华j:学研究生讲义一车世界科技研究与发展21世纪青年学者论坛影响到精子和卵子的结台机会J,因而通过合适的温控技术,在科学上人工选择动物(包括人类)的胎儿性别也许是可能的,事实上,迄今人们对温度在龟类等爬行动物的性别选择机制的认识上已取得一定进展,但在分子水平上,应进一步研究温度对性腺分化的影响机制.另外,值得注意的是,单个独立的细胞与其聚集状态下每一细胞受外界热作用的响应规律显然不同,而且,生物体的徽尺度热过程常常牵涉到一系列复杂因素,如细胞菠组分,溶液饱和度及DNA链长,蛋白质性能,细胞周期,细胞热耐受性,分子马达的热驱动等一系列物理和化学因素,因此在研究中只要有可能,应全面地考虑所有可能的机制.总之,细胞尺度范围内的传热传质研究一直是诸多领域关注的重要课题,也已取得一定进展,但与其工程应用相比, 基础研究远远落后于临床实践,原因一方面是工程手段的介入远远不够,同时又缺乏完备的科学基础和细胞水平上的传热传质学和非平衡热力学规律远未得到认识另一方面在实施徽尺度生物传热与传质测量方面的困难也阻碍了该学科的进展.不过,随着各种微米,纳米科学研究的协同发展,这种进程有望得到推进.归纳起来,热激蛋白,热耐受性,抗冻蛋白,高温酶的形成,蛋白质变性,分子构象,生物芯片制造与应用中的热设计,PcR技术中在加热与降温过程中DNA双链的解链与复制机制,细胞及镦特环系统内的传热传质问题等应该是按期内微尺度热科学与生命科学联手并有望取得进展的向个重要课题.在略大一些尺度范围,如发生在微循环血管内的传热与传质对于药物的输送,基因转导,生物信息传递等也具有重要意义.可以预见,结合微米,纳米热科学的研究手段揭示生命现象必将是一个激动人心的领域.如下介绍几类典型的微尺度生物传热传质课题及其初步的研究策略.二,常温或高温情况下的微尺度生物传热传质问题常温或高温以上镦尺度生物传热传质学的工程背景可反映在肿瘤热疗,激光医学,烧伤及烫伤病理,热膨胀,生物自身的发热机制等方面,在这些热医学工程问题中所涉及的热因素复杂而多变,比如热疗中的施热手段可通过经外,超声,微波,激光,光动力学等方法实现,由此引起的细胞热响应规律各不相同,即使对同一种加热方法,内中机理也错综复杂,如激光对组织及细胞的作用效果受激光作用强度,作用持续时间,激光波和长,作用脉冲等的强烈影响,而且不同组织及细胞类型面对同样的外在热作用产生的响应结果也大相径庭.组织受激光作用的研究已有很多报道,其机体损伤的阈值强烈依赖于激光的照射持续间隙,如受684.3l血红宝石激光在2.5ms持续照射时,导致皮肤发生反应的激光剂量为11～2DJ_,但对550—700mn激光在453—10000s间隙内照射时的激光剂量为175n)Jc~～.微尺度水平上,迄今已报道过采用强度不同的激光对单个血液红细胞照射情况的研究.一般引起的结果是细胞形状改变,红细胞聚合度增加,血色素浓度改变,细胞破损等.本质上热对生命系统的影响均体现在对蛋白质,细胞及组织性质的改变上,发生在热作用过程中的细胞和蛋白质的行为是多方面的,如蛋白质变性,细胞收缩与膨胀,热激蛋白及高温酶对温升的响应以及生命系统对低温的应答等,以往的研究工作主要是一种定性的生物学观察结果,但通过一定的工程手段已逐渐实现对这些问题的定量描述,如文献的工作表明,组织和细胞受热时的收缩程度与时阃(包括温度)的关系可近似拟台为l埠形式.生命系统的温度超过一定极限时会导致其损坏,这成为医学热疗工程的基础,大量的细胞动物学实验表明,加热对细胞有直接的毒性作用,细胞受热升温至43℃附近并维持数十分钟以上,可以杀灭肿瘤细胞.但以往的生物传热研究工作大多集中在组织层次上.因此报难解释所观察到的组织响应的内在机制, 尤其对热疗剂量的理解上存在很大困难.另外,热疗合并放疗,化疗后所得到的肿瘤治疗效果较之一疗法十分显着,这说明加热的存在大大促进了故疗或化疗中的作用因子的效用,这一般可归结为温度的提高对化学物质的反应速率及渗透效果的影响上,结合热与放射,化学药物等的细胞作用机制的认识是一个空白.在肿瘤药物治疗过程中的另一个重要问题是,在离体实验中可以根好杀灭肿瘤细胞的药物在离俸冶疗时却教果甚差,其原因现在已经基本明了,即生物体内肿瘤组织周围的热环境对药物造成天然屏障,使其难以到达靶位,如何使药物跨越这一屏障成为提高肿瘤治疗的一个关键.显然,结合微尺度热科学的研究手段及镦电子机械系统与镦控锚挠术,有可能寻找到解决的办法.现代肿瘤热疗学的生物学研究已进入细胞和分子水平,但对这一镦尺度下的细胞热行为的认识却投有取得相应进展,在微尺度热科学的理论指导下,应了解玲,热因素是如何导致细胞受到损害, 又是何种因素保护细胞避免了损害.在当前的生命科学前沿研究中,有两类蛋白即热激蛋白与抗冻蛋白是生物学家们十分感趣的对象,而其中的热问题涉及到大量现今几乎仍一无所知的微尺度物理机制.实验上,人们观察到几乎所有组织在分子水平上都会对热,冷冲击或其它应力环境等不利因素作出响应,其结果会导致某些特殊基因的表达得以加速,即正常组织细胞的表达过程发生了扰动,受热作用时,则导致热应激蛋白的基因表达加速, 受冷时则导致抗动蛋白的合成,这两类细胞应激响应方式因在基因表达中的重要作用一直是生物医学界竞相关注的重要课题,迄今已有大量的文献从生物学角度进行了广泛而深入的研究.然而从热物理的角度分析其机制则进展缓慢.此方面,Y州将热冲击效应归结到两种物理本质上,即考虑有限热传播速度的热渡效应和考虑组织热弹性的力学效应观点,在一定程度上能解释蛋白质受热冲击而发生表达改变的问题,LiIl【提出的能量耦合理论也许有助于理解散观组织或细胞受外界冷,热刺激时所导致的一系列物理,化学再平衡过程.但就热物理周子如高温,低温以及温度变化率所引起的细胞单元如细胞膜流动性的改变,吣双链的结构和魍份变化,蛋白质变性,细胞器功能的换嫂等的热学分析仍然罕见.结合热科学与分子医学手段开展研究是一个必然趋势.关于冷,热激蛋白的研究已促成了一些临床应用.比如,人们发现,当组织突然暴露到严酷的热冲击环境,绝大部分将死亡I但若预先对其作一定热处理,则可有相当数量的组织得以存活;这一发现在临床肿瘤热疗中已得到应用,一般为了极大地杀伤病变组织而又能最大限度地使正常组织存活,肿瘤热疗果用的两个步骤原则上应为:(1)采用搬渡(或超声波)加热装置在小功率下对肿瘤周围的正常组织实施预处理使其温度趋向均匀提高;(2)将加热功率瞬间提高到—个新的水平,对准肿瘤实施聚焦热疗.类似地,低温外科手术中要最大限度地使正常组织存活,也应实施同样措笠卷4期21世纪青年学者论坛施,只不过这时采用的是预冷处理.搬尺度生物热科学研究的目的就在于要揭示生命体内发生在细胞,乃至分子水平上的主要热物理机制及其相关效应除肿瘤热疗外,显檄外科手术中的激光徽血管融合技术,细胞激光打孔以诱导细胞融合和外源DNA的导人等都是具有重要意义的现代生物医学技术而且在微小水平下热可以作为一种独特的控制信号,如利用紫外光或改变系统温度可以驱动分子机器的运动方式刚.即使在常温情况下, 大量的生物热问题也远未得到认识,如热舒适的概念如何表达,皮肤热觉和冷觉的响应机制是什么等,电穿孔的同题,生物工程中的热处理如发酵,细胞代谢的物理操纵,食品加工等也存在着众多的微尺度热问题J值得指出的是.一个使组织出现热损伤的原因是热破坏了用以完成细胞通讯的分子结构,但对这类结构热耐受性的了解甚少.所以结合细胞信号转导与热科学方法,也可能获得一些新的认识综上所述,在搬尺度热科学领域内,可以提炼出众多的高温生物传热学问题如加热诱导细胞凋亡的机制,热对细胞生命周期的影响规律.不同温度下的肿瘤细胞分裂机制, 加热对细胞生存馓环境(生化,物理环境等)的改变机制,温度对细胞代谢的改变,及DNA,RNA等的热损伤,加热或降温对细胞功能如能量转换(热向其它形式能量的转换),物质输运(氧,溶液,溶质,离子),信息传递(细胞通讯),细胞形态等的改变.所有这些同耀目前均缺乏合适的定量模型对细胞各种物理和生化过程的理解已经成为生物医学工程中的核心问题,其中尤为重要的是发展一定的工程方法来评价和监测细胞内物质和信息的传输过程】三,低温下的微尺度生物传热传质问题大量的微尺度低温生物传热传质问题长期围感着生物学家及工程研究人员,如为什么冬眠动物可在低温下存活而一些冷血动物如爬虫,鱼类,昆虫及植物等能生存于随季节变化的环境温度下.有一种理论认为这些生物中细胞膜内的组毋也随着季节雨变.从而有可能抑制楣变乃至保护了细胞本身.研究人员现已发现某些混合物如海藻糖,脯氨酸可以起副稳定细胞膜双层的作用.所以,充分了解其中的机理对于细胞及器官的低温保存非常重要降温会带来一些附加效应…,它会影响决定蛋白质结构,细胞骨架结构,酶配位之问的弱健相互作用.也许与降温引起的最重要的能量效应之一是ATP驱动离子泵在膜上输运离子速率的改变,膜上的ATP离子泵是一种跨膜蛋白, 其功能是确保离子沿膜离子通道运动,井调节细胞内部的组分.不过.随着温度的降低,穿过离子通道的扩散受影响的程度小于离子泵能量效率所受到的影响,因此.细胞内的组分就会发生改变.主要为失控的c'和Na涌人及随后的蛋白质变性,跨膜电势差被打破等.不过,上述提及的生物显然克服了这一问题.如何揭示其中的机理存在着大量的工作要作.另外.细胞的冰点约为0.6℃,但大多数细胞内溶液在不低于一lO时并不结冰.这种机制在程尢程度上是由于细胞膜起到了阻碍的因索.由于热或冷冻引起的细胞损伤已有众多的生物学观察和分析,但多数是属于定性的研究,对定量的重视不够,傲尺度热物理的任务显然不是再度重复这些研究内容.而是借助于热科学所特有的工程描述方法及铡试手段对这些数据进行综合,从而揭示出其中的本质规律. 除上节提到的热激蛋白外.冷激蛋白即抗冻蛋白在组织低温冻存过程中正在发挥越来越重要的作用,R幽ki及其合作者"的研究工作表明,抗冻蛋白不仅影响冰晶的结构,也使得哺乳动物细胞拥有了更多抵御冷冲击的能力,所以若能将抗冻蛋白基因合理地导人待保存的生物样品,必然可以提高其廉存的成活率.这在生物医学上是非常有意义的.值得指出的是,一些冬眠动物具有在冬季冻僵(体内水总质量的65%为冰)而在春天能自行解冻以在严酷的寒冷环境中存活下来的车顿,这一自然界的奇迹也许提供了某些实施人体组织低温冻存的重要线索】.关于抗冻蛋白降低冻结温度的机制,一些理论认为抗冻蛋白会粘附到球晶的各种小方面上,从而抑制了这些小方面的生长乃至降低了冻结温度,然而真正的原因实际上仍然是不清楚的"】.同常温下的生物热问题一样,低温医学也存在着众多复杂的物理过程,比如血红细胞的冷冻干燥实际上涉及降温,相变冻结,升华脱水复温融化等一系列步骤.冻结过程中的非均匀成核是一个重要的微尺度热问题.迄今已提出了效个数学模型来描述发生在细胞和组织内的做传热问题,这些模型考虑到了细胞内外冰晶的形成,细胞内外环境之间的质量传输以及成核及相变热力学…,从中可得到冻结过程中细胞体积,细胞组分过冷度,细胞成棱化等的关于温度的变化情况.而且.若将上述方程与宏观传热模型结合,尚可以导出一些新的能量方程,从而有助于在宏观水平上对生物系统的相变过程进行研究.必须指出,低温生物传热学上一个不争的事实是.虽然生物组织的低温保存已逐渐成为一种成熟的措施,但关于整个生命个体的保存进展极其缓慢,据报道,目前通过低温所能保存的最发达的多细胞生物个体也许是沙蚕幼虫.其保存分两个步骤,第一步将幼虫初步冷却副一35左右时.然后将其投入液氨中(温度为一196℃),之后再予以复温拉验. 最终的存活率依桢于将幼虫韧始冷却到一35气左右时的冷却卓显然.要正确认识其中的规律.研究受冷,热因素作用下的整个微小生命个体内的热量传输问题就显得十分关键. 以往的研究主要集中在宏观足度上的生物组织或者单个细胞,而对于生命个体的系统分析尚未有开展.可以认为.对于大的生命个体尤其是人体的保存将成为低温生物医学保存的蜂极目标.而微尺度热科学必然会对此作出贡献.四,生物芯片中的传热与流动问题当前,人类基因组研究计划已经发展到可以确定完整的基因系列及从原理上定理测量细胞内所有基因表达的水平. 研究人员也发展了相应的生物学及计算技术来揭示生命的一些特殊功能与基困系列的关系,以数据库形式提供的基因系列为完整分析基因和蛋白质以及了解生物系统本身提供了最关键的数据u在基因测序和分析方面,通过檄电子机械加工技术制成的由各种纵横交错的傲槽道,馓池及电子连接件组成的指甲大小的基因芯片对于蛋白质系列的分析具有十分关键的意义,这类微器件中所涉及到的传热传质问题主要有徽样品的操纵和发送,溶液混合,微样品的加热和降温,样品浓度及温度等的监测和调控,流体阻断与密闭,徽样品的捕捉和提取等Ⅲ,采用徽加工器件分析蛋白质时的一些富有挑战性的困难是:由于表面吸附而导致的样品损失,样品粘着于器件以及在极小体积和较高浓度下的操纵样品等H傲电子机械系统的制作成为科学家们尽显身手的领域,一系列令人耳目一新的系统层出不穷.在一些手术内世界科技研究与发展21世纪青年学者论坛窥镜,微电子机械系统及商业生物芯片中.微流体器件使得数十年前无法想象的化学分析成为可能,这类器件可以将微小量流体沿一定的网络通道传输.现已发展了数种控制小尺度流动的方法,如:微机械及电水动力泵,电学渗透流,电润湿及热毛细泵等,这些方法中的大多数均需要微加工成的内槽道及电场来驱动带电流体,新近的研究发现表明,采用温度或温度梯度而非电场也可驱渡滴的运动,即可对一定成型表面上的微小流体流动起到导向的作用m】.如在固体基底表面上润湿的液体薄膜内存在温度梯度时,由于空气一液体界面的热毛细剪切应力的作用,薄膜将由热区域流向冷区域.对于足够薄的膜.其热传导热阻远小于对流热阻,则在固体表面的热梯度直接传到空气一液体界面.由于大多数流体具有负的常数值(其中为表面张力.T为温度).则在流动方向(x向)施加的常温度梯度会在空气一液体表面产生一个固定的剪切应力,即r=d't/dx=(dT/aT)(dr/dx),只要热应力弓I起的向上的豌大于由重力引起的抽吸流,则由毛细剪切应力驱动的流体甚至能翻过一个垂直的基底.对于具有大比表面的系统如微尺度流体,即使一个很小的热梯度也会引起显着的流体移动.显然耐这一情况下的传热和流动及其应用问题进行分析是一件饶有兴味的事.五,生物热反应器由于生物组织中的化学反应速率对温度非常敏感,因而热环境控制好环得到的结果十分迥异,这在着名的PcR多聚酶链式反应技术中得到了体现,PCR技术极大地开拓了遗传物质鉴定与操作的可能性.它有助于鉴定某一特定DNA片段,因为它能在短时间内通过加热双链DNA分子的互补链, 使之解开,然后再精确地复制成百万的该DNA片段.随着微电子机械器件的发展研究人员发现利用硅微结构,过去需要长达3个小时的PCR反应现在仅需20分钟左右.这是因为采用了适当的反应容积(高的长宽比和大表面)后.在一个低热质交换器中得到了快速的加热和砖却速率.除具备速度快这一明显优点外,快速加热和冷却对于生化反应的专—性要求也提供了额外的优越性,比如.多聚酶的功能在72℃时最优,处于其它中间温度时,复杂的生物样品会发生外部反应,生成无用甚至有干扰性的产物.从而破坏试剂.在极端情况下还会产生正性或错误的负性结果.所以设计合理的集成化热学或光学模块可以报大地提高PCR的效率,从而使微小浓度样品的分析成为可能.大量的用以操纵和控制微尺度流体的器件可参见几篇。

微纳尺度下的热传输研究随着微纳技术的快速发展，微纳尺度下的热传输逐渐成为科学研究和工业应用领域的热门话题。

微纳尺度下的热传输具有许多独特的特性，例如热阻、热导率、热膨胀等均表现出与宏观尺度下不同的行为。

深入研究微纳尺度下的热传输机制，不仅对科学研究有重要意义，也具有广泛的应用前景。

一、微纳尺度下的热传输的特性在微纳尺度下，由于材料的尺寸过小，界面和界面之间的相互作用效应越来越突出，因此材料表面变得更加活跃，热传输机制出现了新的特性。

首先，微纳尺度下的热阻现象十分显著。

由于材料的纳米级别微观结构，热流难以有效地通过介质间隙和界面，这会显著增加材料的热阻。

其次，微纳尺度下热导率呈现尺寸效应。

随着材料尺寸的缩小，热流承载的韧性减弱，因此热传导性能下降。

最后，微纳尺度下的热膨胀系数较高，由于热胀冷缩效应变得明显，当温度变化时可能出现较大的偏差。

二、微纳尺度下的热传输机制研究在微纳尺度下，由于材料表面相互作用所产生的层状/分层状特性，热传输机制变得复杂而多样。

对于热电材料而言，研究集中在体内热传输的改进，以降低热阻、提高热导率、防止局部热点等方面。

另外，一些研究工作利用热纳米孔道效应来实现更为高效的微纳尺度下热传输。

同时，还有一些研究工作集中在开发新的微纳材料，以提高微纳尺度下热传输的效率。

通过研究微纳尺度下的热传输机制，可以开发新型的复合纳米材料，用于电子、储能、热能等物理系统。

三、微纳尺度下的热传输研究的应用前景研究微纳尺度下的热传输机制，不仅对于提高纳米材料的制备技术，而且也对于微纳尺度下的热电设备制造技术都有欣欣向荣的发展前景。

目前，微纳尺度下热传输在热电材料、热传感器、热能转换器、催化剂、生物医学设备等方面的应用非常广泛。

例如，微纳尺度下的热敏电阻和热工电池可以作为高效省能的传感器和电源使用;微纳尺度下的热电转换器作为热电制冷和热电发电的基础技术;利用微纳尺度下的热辐射技术，可以研究太阳辐射传输的机理，进一步提高太阳能的转换效率。