具有直流偏置的快速交流电动微流体驱动及混合基础理论与应用研究

高速微泵、高效微混合器可广泛应用于生物化学反应中的试剂传输、微型航天器的燃料推进、便携式微电子设备动力供给及环境、医疗等领域，是微流控芯片系统中的核心技术。最新实验研究发现，直流偏置的交流电动微流体驱动以及混合技术与传统的单一交流电动操控技术相比具有高速、高效的特点，但其作用机理尚不明确，对其进行深入研究具有重要理论意义和应用价值。本项目将以交流电渗中的反向机理探究为基础，开展具有直流偏置的高速交流电动微流体驱动以及高效微流体混合的形成机理、理论研究方法、实验研究手段及主要影响因素等的系统研究；建立相关数学模型，揭示直流偏置信号在改善交流电动微流体流速及混合效果方面的作用机理，对比分析电容充电、法拉第充电、电化学反应等因素对高速微流体驱动的重要影响；实验验证直流偏置对传统交流电渗、交流电热微流体混合的促进作用，设计并加工高速微泵和高效微混合器实验样机，为工程应用提供依据。

依据国家自然科学基金申请书中的相关研究规划，项目执行期间研究团队分别对交流电场驱动微流体中的反向问题、交流电渗快速流体驱动的机理以及具有电导率梯度的两相流体的驱动与混合等内容展开了深入研究，取得了以下研究成果：.1、对交流电渗理论不能解释的高于驰豫频率的微流体流动现象以及反向现象进行了合理解释，研究了不同频率范围内致微流体流动的主要因素，推导了电化学和交流电热作用下微流体流动速度公式；.2、建立了点面电极系统的三维仿真模型，通过求解Laplace方程、电荷守恒方程、传导-扩散方程、能量平衡方程以及具有电动力或电热力的Navier-Stokes方程，分别对点面电极系统的电场以及流场进行仿真研究，分析了高、低频电信号下点面电极系统中导致微流体流动的主要因素。以KCL溶液稀释500 的聚苯乙烯微球混合溶液为研究对象，设计并搭建了点面电极系统实验平台，分别进行了反向现象实验、电化学反应验证实验以及速度对比实验，验证了理论以及仿真分析结果的正确性；.3、为研究影响微流体的驱动的因素，需要研究生物分子在检测电极表面的吸附或沉积前后电极表面的变化。考虑到电极表面双电层的厚度、电极表面粗糙度、以及生物分子的尺度都在纳米数量级，以电极表面粗糙度为衡量指标，研究电极表面微观形貌对电极表面双电层、交流电场下微流体流动、以及电极/溶液系统阻抗的影响。提出考虑电极表面粗糙度之后的ACEO 速度修正公式，并进行了数值仿真和实验验证；.4、在前期研究的基础上，考虑到利用电场进行样品驱动时，不同种流体交界面会产生一定的电导率梯度，在电场作用下交界面将被极化进而受到力的作用，对样品传输、生化反应等过程产生影响，严重时将导致实验失败。为了分析其机理及主要影响因素，建立了具有电导率梯度的两相微流体操控二维理论模型，推导了交界面处所受库仑力的表达式，揭示了两相微流体的交流电动操控机理。进行了二维以及三维仿真分析，并着重分析了电压、频率以及电导率等对于实验结果的影响。研究了实验用微通道的封装工艺，进行了两相微流体交流电动操控实验，并与仿真结果进行了对比分析。.5、依托本项目发表学术论文16篇，SCI检索11篇，EI检索5篇，影响因子2.5以上6篇，单篇最高他引次数10次，发明专利1项。培养博士生3名(已毕业1名，在读2名)，硕士研究生7名(已毕业5名，在读2名)，申请联合培养博士生2人次。