多尺度动态润湿

壁面的润湿特性对液体的流动行为具有调控作用，此理论被广泛应用于制作各种功能表面和器件，在自清洁、防/除冰、抗菌、防腐、集水和油水分离等领域发挥着举足轻重的作用。借鉴荷叶或昆虫翅膀表面的凸起结构，通过对固体表面化学特性和几何结构的改造，可以开发具有特殊功能的微结构仿生壁面。润湿问题涉及固-液-气三相，是一个跨尺度的系统。Cox 将三相接触线附近的区域划分为三个不同的区域: (1）接近分子大小的内部区域，特征长度为ri，界面斜率为θnum；(2)中间区域，特征长度为r，界面斜率θ(r)在粘性力和表面张力的影响下急剧变化；(3)外部宏观区域，特征长度为ro，实验中在~ 100µm以上距离处测量可得，即所谓的表观接触角(θapp)。仅靠实验很难完全揭示润湿机理，因此，需要借助数值模拟和实验测试进行宏观和微观物理现象进行研究。

浸没流场界面稳定性

通过在最后一片物镜和硅晶圆间充填纯水，可有效提高光刻机的曝光分辨率和焦深，即浸没式光刻技术。借助浸没式光刻技术，荷兰ASML公司已成功实现28nm、14nm、甚至7nm节点先进制成集成电路的生产。由于浸没式光刻机中浸没流场也成为透镜的一部分，所以一定要保证浸没流场具有高度均匀和稳定的光学性质。国外在2010年之前通过实验、数值仿真和理论分析对浸没流场稳定性行进了系统研究。由于国内相关研究起步较晚，加上国外技术封锁，对于浸没流场稳定和边界滑移问题的研究团队较少，且系统性研究不足，无法解决浸没式光刻机一定良品率前提下产率提升导致的流场失稳问题。

动态曝光过程中，硅晶圆在承片台(Wafer Stage)上相对于浸没头(Immersion Hood)高加速移动，硅晶圆与浸没液间的牵拉耦合给浸没式光刻技术带来了巨大的挑战：浸没流场的不稳定导致物镜无法精准对焦，后退线上泄露的液滴(Residual Droplets)蒸发带来水渍残留缺陷(如图 右)，而前进线上引入的附着气泡会引起桥接缺陷等(如图 左)。研究发现，通过降低浸没流场边界厚度（至微米级）和提高光刻胶涂层的憎水性可有效提高气液边界的稳定性，抑制液体的泄漏，减少曝光缺陷。然而，在保证一定良品率的前提下，国内相关研究成果始终难以满足产率提升所带来的设计需要，使得界面滑移的强化缺乏理论依据，难以保证浸没流场的动态密封需求。主要表现在：

1) 相较于宏观尺度，微尺度下的浸没流场具有较大的比表面积，使得光刻胶涂层的表面性质，如表面润湿性、表面微观形貌及表面力对浸没液流动的影响远大于宏观尺度下的作用；

2) 气液界面失稳会造成液滴遗留。对于微纳尺度液滴，壁面润湿特性和流固耦合作用较为显著；

3) 虽然提高光刻胶涂层的憎水性可有效抑制后退接触线上液体的泄露，但却带来了气泡夹带问题。附着在光刻胶表面的气泡充当为一个透镜，曝光光线穿过气泡时发生散光，从而导致曝光图案的扭曲；

微尺度管内两相流致振动

质量、动量和能量的局部波动是引起两相流致振动的根本原因，主要表现为空隙率和压力的波动，压力波动进一步归因于湍流。其中，局部质量波动是由于两相密度差引起的密度波动 (例如空气-水两相系统，水的密度约是空气密度的1000倍)；动量波动是由质量波动和速度波动共同作用的结果，而速度波动归因于各相间的速度差异；蒸发和凝结等相变会引起能量波动。质量、动量和能量的局部波动将引起两相交界面形状的变化，即气液界面流型(Flow pattern)的改变。因此，两相流致振动特性可以基于气液界面流型进行识别。气液界面的流型受多种因素影响，如管道形状、管道尺度、管壁亲疏水特性、气液流速等。相较于宏观尺度管道，管壁特性如粗糙度和亲疏水性对微尺度两相流型具有较大影响。而且，随着尺度的减小，惯性力对于液体的主导作用越来越小，层流逐渐得到稳定。因此，微尺度管内两相流型与常规尺度情况存在一定差异。

微流控液滴的产生和控制

基于微流控液滴的系统涉及微尺度通道中液滴的生成、操作和分析，由于其在单细胞分析、高通量筛选和数字微流体等各种应用方面的潜力而受到了极大的关注。然而，与微流体液滴相关的几个挑战需要解决：(1)液滴生成与精确控制；(2)液滴稳定性和蒸发性；(3)液滴合并和分裂；(4)液滴检测分析等。

多相流界面传质传热

涉及热和质量的界面传递的两相流问题是普遍存在的。界面传热的准确预测在许多工业环境中至关重要，包括冷凝、蒸发、沸腾、结冰、喷雾和闪蒸等。对传质传热问题的研究需要准确计算（1）两相之间界面的演变，（2）热/质量在每相主体内的传输，即扩散和平流，以及（3）它们在界面上的传输。