微热气泡驱动下的微流控理论研究

结合热力学和流体力学,采用COMSOL Multiphysics 4.4计算软件,对微热气泡驱动下的流体的流速场进行模拟和定量分析.结果证明,微热气泡表面具有马格兰尼效应,可以驱动流体以漩涡的方式运动,从而高效地俘获和富集微粒,这与实验现象相符.该文从理论上探究微热气泡驱动的流场性质,这对提高微流体的可操控性,促进微流控技术的发展都具有重要的意义.     

微流控技术及其应用与发展

微流控技术广泛应用于生化分析、疾病诊断、微创外科手术、环境检测等领域。微通道结构的设计与制造、微纳尺度流体的驱动与控制、微流控器件及系统的集成与封装是该领域的3大关键技术。本文综述了微流控技术在这3个方面的发展现状及在不同领域中的应用,展望了微流控技术的发展前景,指出多相微流体的介观传输理论及跨尺度流体的性质将是今后研究的重点与热点。     

单片机控制的微流控芯片微型气动装置系统设计

微流体控制和驱动技术是微流控芯片（Microfluidic Chip)的发展和应用的关键技术之一,介绍了一种基于STC90C516RD+系列单片机控制和驱动微流控芯片内管道内液体的电路结构设计。设计的微流控芯片上集成了微管道、微阀和气动微泵等结构,单片机通过外部的独立按键选择和控制电磁阀,实现对微流控芯片内的进样管道选择和流体控制。该系统结构简单、稳定可靠,适宜作为独立的系统实现微流控芯片的复杂控制。     

基于可控液压阀的微流体驱动结构

一种基于液压驱动的微阀结构的微流体驱动结构及其驱动方法,微阀结构采用压电陶瓷作为能量输出单元,以作用于压电陶瓷的可控PWM波实现实时开关控制.在该驱动结构中置有主泵腔以及多个液压微阀,采用高速动态调节各微阀开关状态的方式实施流体的驱动.该驱动结构具有体积小,控制精确,易于集成于微流控芯片等特点,可用于微全分析系统中的流体驱动,POCT小型化设备的流体控制等方面.     

基于微流控芯片的微气泡生成与驱油实验研究

为了了解多孔介质中微气泡的生成及驱油机理,设计制作了一种集成T型微通道和模拟多孔介质高低渗透率的微流控芯片,采用基于显微成像的微流控系统开展了气相压力和液相流速对微气泡生成的影响以及两种尺寸微气泡驱油实验。研究结果表明:T型微通道内的微气泡是在液相压力、黏性剪切力和表面张力的共同作用下生成的,表现出3种生成机制;微气泡无量纲长度(L/W_c)随气相压力的增加逐渐增大,随液相流速的增加逐渐减小;微气泡生成频率与气相压力呈线性递增关系,随液相流速的增加呈先增大后减小的趋势;表面活性剂溶液驱油会在高渗区"指进",驱油效率较低;微气泡驱油机理主要是通过气泡堆积和类"贾敏效应"封堵高渗区,迫使后续流体改变流动方向,扩大波及系数;小尺寸微气泡(1L/W_c≤2)的驱油效果要优于大尺寸微气泡(L/W_c2)。     

基于液滴微流控芯片的单细胞分离

开发基于静电场力和集成微电极的微液滴操控技术以实现单细胞的分离.结合微流控技术的发展,设计并制作了以有机聚合物PDMS( polydinethylsiloxane)为材料的具有流聚焦结构的芯片,利用流聚焦结构的芯片,通过改变分散相和连续相的流速,制备包裹着悬浮癌细胞( HCT116)的海藻酸钠凝胶溶液微液滴,并对其包裹细胞数目进行统计分析,其中包裹单细胞的微液滴少于总液滴数的10％.受到液滴自带电现象的启发,通过集成微电极到微流控芯片中,利用电压脉冲产生静电场力,实现了单颗单细胞微液滴的电分离和富集.     

基于氧化石墨烯微加热器的微气泡研究

氧化石墨烯具有良好的光热转换效率,能在微纳米尺度的区域内形成热梯度场。利用氧化石墨烯沉积在微纳米光纤表面可组成微加热器,输入红外光（ASE宽带光源产生的光）,微加热器会加热周围液体,并在微纳米光纤上产生微热气泡和椭圆形微气泡,但两者产生的行为方式不同。结果表明,微热气泡直接形成于氧化石墨烯微加热器表面,而当微加热器置于气液交界面时,椭圆形微气泡则形成于微纳米光纤上。该研究结果加深了对微气泡物理行为的认识,对发展新兴的基于气泡的光热转化设备起到了推动作用。     

声表面驻波在微流控领域的应用

 声表面驻波（SSAW）因其非接触性及生物相容性，目前已被广泛应用于微流控领域，在生物医学、诊断学等领域有着广阔的应用前景。概述了声表面驻波的形成过程和对微流体中粒子的控制机理；综合当前该技术国内外研究现状，分析了在微流控领域中声表面驻波相对于其他物理场的优势；针对声表面驻波在微流控领域中存在的问题对未来的研究提出了合理展望。     

模拟孔喉构型变径通道中微气泡流动特性研究

为了了解微泡沫驱中微气泡在多孔介质中的渗流特性,设计制作了一种集成T型通道和变径通道的微流控芯片,采用基于显微成像的微流控系统观察了液相分别为去离子水和0.02%吐温20水溶液时,微气泡在变径通道内的流动特性,并采用CFD方法分析了微气泡融合、变形过程中速度和压力变化情况。研究结果表明,以去离子水为液相时,随着气体压力和液相流速的变化,微气泡在流经变径通道时出现融合和不融合两种行为;以0.02%吐温20水溶液为液相时,微气泡在流经变径通道时会依次通过;微气泡在“喉—孔”处融合时,表面张力促使微气泡变形导致周围流体速度波动较大,形成“涡流”;融合后的气泡再次进入“喉道”时,“孔道”内压力增大。本研究有助于进一步认识微泡沫驱的渗流特性及驱油机理。     

封面图片说明：微流控专题 科技智库专题

 微流控技术是由微通道和微结构组成具有功能性和完成特定任务的微流体系统技术。微流控芯片技术（Microfluidics）是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析的全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的薪新研究领域，广泛应用于化学分析、基因分析、细胞筛分、生物医疗、化学合成、纳米材料制备等领域。     

一种新型磁流变阻尼器的性能实验研究

对磁流变阻尼器的实验研究结果表明该阻尼器的力－位移滞回曲线饱满，阻尼比大；阻尼器为速度相关型，在低速区阻尼力与速度为非线性关系，高速区可由Bingham的模型近似描述。阻尼器的可控性与磁流变液剪切屈服强度、粘度及阻尼器内磁场强度有关。     

离子液体电磁驱动研究

室温离子液体是新兴的绿色环保材料,具有液态温度范围广、不易挥发、良好的导电性和导光性,是微流控技术和光电子器件中良好的流体介质。离子液体的驱动是其能否在这些领域中应用的关键技术,也是应用中常常碰到的瓶颈。本文提出了一种电磁驱动离子液体的方法,无需机械移动装置,可双向驱动,稳定性好,并从离子液体本身性质出发,进行了微观和宏观两方面的理论分析及仿真计算,结果表明这种方式驱动力大,驱动速度较快,只需几伏的低压,能耗低,同时给出了一个最佳通道高宽比,最后分析了本方法存在的负面影响。     

流道截面形状对微流体流动性能的影响

微尺度条件下流体的流动特性是微纳零件制造与微机械装置控制系统设计中需考虑的重要因素.采用基于Navier-stokes运动方程开发的Moldflow MPI软件,以PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料为对象,研究圆形、半圆形、梯形、矩形和正三角形5种微流道截面形状对非等温非牛顿流体流动性能的影响.研究结果表明：微流体在截面形态不同,长度均为50 mm微流道中的流动长度与流道截面的比表面积（截面周长与截面面积的比值）呈反比关系,比表面积越小,流动长度越大;当微流道的比表面积较小时,熔体温度与注射压力对流动长度的影响较大;当比表面积较大时,熔体温度与注射压力对流动长度的影响较小,且不论比表面积如何变化,注射压力对流动长度的影响比熔体温度对流动长度的影响显著.     

自搅拌反应器内液相流动的数值模拟

采用数值模拟方法研究了压力能驱动的自搅拌反应器内液相流场的分布规律.首先对标准κ-ε模型、RNG κ-ε模型、realizable κ-ε模型下的模拟结果与PIV实验结果进行对比,确定了合适的湍流模型;然后研究了不同入口压力、液位高度对反应器内流场分布的影响.结果表明:标准κ-ε模型能更精确地模拟该反应器内的流场分布,反应器内流场稳定时间为12s以上.增加入口压力和液位高度均有利于反应器内流体速度均匀分布,入口压力为3MPa时几乎不存在速度死区.     

超声多普勒流量计实现分区流速测量的方法研究

为了扩展超声波多普勒测量方法的功能并提高超声多普勒流量计的测量精度,提出了可以实现流通区域内流体速度分布测量的分区流速测量方法。采用超声波交叉域法,对声束的发射与接收进行汇聚,使汉速信息集中在流场中十几毫米到数毫米的区域范围内;采用了发射、接收换能器,让声束的交叉域分布在描述流场特性的地方,实现了流场的分区流速测量。扩展了超声波多普勒方法的功能,若对分区流速进行积分处理就可获得流量,为提高超声多普     

利用速率反馈方法控制时空混沌的解析研究

以空间一维的复Ginzburg-Landau方程（CGLE）为模型，提出了时空混沌控制的变量速率反馈方法，研究了利用速率反馈控制信号控制空间维数为一维的偏微分方程系统中时空混沌的可能性，并且解析地建立了利用单个信号控制时空混沌时控制参数与可控性所满足的关系，并且以此为基础提出了进一步进行数值分析的方法。     

微流动的研究现状及影响因素

随着微机电系统的发展及其应用领域的不断扩大 ,微器件和微机电系统中涉及到许多微流动问题 ,流体在微尺度槽道中流动的研究引起了人们的重视 随着尺寸的微小化 ,在宏观流动中可忽略的一些影响因素变得重要起来 ,由于尺度效应、表面效应等因素的影响 ,微小槽道中的流动呈现出一些与宏观流动不同的现象 因而对微流动的研究现状进行综述 ,并对影响微流动的尺度效应、表面力、气泡、相对表面粗糙度及流体极性等因素进行分析     

基于氧化石墨烯-微纳光纤的微加热器制备及其性能研究

利用近红外光在微纳光纤传输时产生的强烈倏逝场效应将氧化石墨烯沉积在微纳光纤表面,组装成具有优异光热转换性能的氧化石墨烯-微纳光纤,得到一种新型的光驱动微加热器.通入较小功率的近红外光,微加热器能诱导各种液体(例如N,N-二甲基甲酰胺、去离子水)产生高温相变进而产生微泡,显示了良好的光热转换效应.结果表明,在N,N-二甲基甲酰胺中,微泡按一定周期循环生长,重复搅动液体.在微流芯片中,这些微泡可用于操控微纳米颗粒、微纳米线等.在去离子水中,产生的微泡结构稳定、不易破裂,可用于聚集微粒等.该微加热器具有制备简单、尺寸小、损耗低、激发功率小、效率高等优良特性,在微机电系统、微流控芯片等领域具有良好的应用前景.