磁性液体弹珠的分离、合并、组装及输运特性研究

The project is based on the potential applications of magnetic fluid marbles in microfluidics, lab on a chip, and biomedical engineering. From the scientific view, the characteristics of separation, mergence, assembling and transportation of magnetic fluid marbles under magnetic fields will be studied experimentally and theoretically. The influences of magnetic field strength, direction and gradient on the dynamic characteristics of the magnetic fluid marbles will be checked quantitatively. This topic has innovation and academic significance, and the outcomes will contribute to the practical engineering applications.. The research methods of this project mainly depend on the experimental investigations. At the same time, theoretical and numerical calculations will be used to compare with experimental results. Through the visualization, the details of separation, mergence, assembling of magnetic fluid marbles will be examined to reveal the mechanism of their occurrences. By building the magnetic fluid marble transportation test platform, the basic two-dimensional motion patterns of steering, acceleration and turning back will be studied quantitatively. Furthermore, the experiment of climbing an incline plate will be performed to explore the rolling characteristics of magnetic fluid marbles. Construction of the particle surface layer elastic model will be executed, which will be integrated into the magnetic fluid model. By considering the effect of microstructure on the macroscopic magnetic properties, the magnetic anisotropy parameter will be introduced to modify equilibrium magnetization equation. Then, solving Maxwell's equations to obtain the magnetic field distribution, and solving the modified N-S equation by introducing magnetic items to calculate the speed, trajectory and other parameters of single magnetic fluid marble. After comparing with experimental results, new theories can be developed and established.

本项目基于磁性液体弹珠在微流控技术、芯片实验室及生物医学工程方面的潜在应用，提炼出其中的基础科学问题，实验研究和理论分析磁场作用下磁性液体弹珠分离、合并、组装及输运特性，定量研究磁场强度、方向、梯度等参数对磁珠动态特性的影响。本选题既有创新性和学术价值，也有工程应用价值。.本项目以实验研究为主，采用理论计算及数值方法进行对比。使用可视化手段观测磁场下磁珠分离、合并及组装过程，揭示其发生机理；搭建磁性液体弹珠输运特性研究平台，分别对转向、加速、折回等平面二维运动特性进行定量研究。进一步展开磁珠爬坡实验，研究磁珠的滚动特性。构建表面颗粒层的弹性模型，并与磁性液体模型进行整合，考虑磁性液体微观结构对宏观性能的影响，引入磁各向异性参数修正平衡磁化理论。求解Maxwell方程获得磁场分布，引入磁力项，修正N-S方程，获得单个磁珠速度、轨迹等参数，通过与实验结果对比，发展和建立新的理论。

液体弹珠由少许的微米或纳米疏水颗粒包裹在液滴上形成，具有不润湿性，是一种不粘连体系，其接触角接近180°，具有很小的滚动角和移动阻力。表面颗粒层的存在阻碍了液滴与基底直接接触，颗粒与固体壁面或液面之间存在空气垫，因此液体弹珠能静置于固体表面或漂浮于水面上，并且在移动的过程中不会发生泄漏。液体弹珠可以储存微量液体，类似于微小容器，可以用作微型反应器、微生物或细胞的培养、水污染及气体检验等。磁液弹珠则是利用疏水粉末包裹磁性液滴形成的，在磁场下显示磁性，利用磁场能够实现非接触式磁操控。鉴于磁液弹珠的特性，本课题提出了利用磁液弹珠作为微质量液体定向输送的载体，并利用磁场对其进行操控。.本课题对磁性液体弹珠的分离、合并、组装及输运特性进行了研究。首先通过电磁场理论求解磁液弹珠的磁体积力。随后，将液体弹珠浸没于基载液部分看作为球缺体，建立了液体弹珠浮在基载液表面上的静力学平衡方程。同时制备了不同工质不同体积的液体弹珠并使用微距相机拍摄其在固体壁面上的形态，测量其形状、接触角和表面张力等相关参数。然后，分别建立液体弹珠静置在固体壁面和漂浮在液面上的动力模型。在固体壁面上的液体弹珠由于粘性耗散存在，使得液体弹珠接触角滞后，并分析在磁场下滚动的磁体弹珠的速度与磁场强度、磁液弹珠表面张力等之间的关系。从力学角度出发，分析液体弹珠浮动机理，液体弹珠的重力与浮力和表面张力相平衡。剧烈运动的磁液弹珠的接触角发生变化并求解液面对液体弹珠的阻力公式，同时通过建立模型计算出浮动液体弹珠的速度。最后通过实验分别测量固体壁面上、斜面上以及漂浮于液面上的磁液弹珠的速度，讨论分析磁液弹珠与磁场强度的关系。通过实验与理论相结合，对三种情况下的磁液弹珠进行比较。验证了利用磁场可以对固体壁面上以及漂浮在液面上的磁液弹珠进行非接触式磁操控，为今后使用磁液弹珠作为载体定向输送微质量液体提供了相应的理论和实验基础。