粗糙壁面与自然对流相互作用驱动微流体流动的机理研究

Microfluidics is a newly developed technology in the field of biological analysis and chemical synthesis, thanks to its advantages such as accurate control and tiny sample requirement. However, the fluid driving technology still relies on equipments like pumps, which limit microfluidic technology as laboratory operation. By integrating temperature control elements in micro-chip, combined with controlled surface micrometric structure, fluid may be driven steadily via the phenomenon of natural convection. In this fundamental research, we will study the synergy between surface roughness and thermal convection, and its consequence of stationary fluid drift effect. Via microfluidic and PTV technology as principal investigation method, we will study the effect of several basic characteristics of roughness (such as pointing structure, periodic micro pulse structure and non-periodic roughness) on thermal convection. We combine experimental and numerical study, establish model for the relation between micrometric flow field and unidirectional flow in the channel. Meanwhile, this driving method will be applied to microfluidic droplet formation experiments, in order to study its effect on the properties of droplets such as size, frequency and stability during formation. This study provides theoretical basic for the development of portable microfluidic driving technology.

微流控技术以其控制精准、样品消耗少等诸多优势，逐渐被应用于生物化学分析和合成领域。虽然微流控装置尺寸小，但其驱动设备尺寸较大、便携性较差，限制了微流控装置的广泛应用。若在微流控芯片内嵌入周期性的温度控制单元，结合管道壁面周期性起伏的几何结构，可利用自然对流现象实现流体定向且定常驱动。本项目针对微观壁面几何结构（粗糙度）与自然对流相互作用，形成微流体定向净流量这一问题开展研究。通过微流控实验和纳米颗粒跟踪测速技术，揭示壁面粗糙的几种本质表现形式（尖角结构、周期性微观扰动、非周期性粗糙）与自然对流协同作用的机制，结合经过实验验证的数值模拟，建立能反映微观流场特性与宏观流动行为的理论模型。进而将此驱动方法应用于液滴微流控，研究其对台阶乳化装置中液滴形成规律（大小、频率、生成稳定性等）的影响。本项目成果将为便携式温度驱动微流控装置提供理论基础，研究结果将指导便携式微流控液滴生成装置的设计和优化。

微尺度多相流和复杂流体在生物医药合成及输送领域有重要应用。本项目主要围绕多相流体和复杂流体在剪切作用下的力学行为，研究了三相流体在Hele-Shaw管道中的流动，以及复杂流体薄膜在气液界面的铺展对流，开展了基于实验和理论模型的系列研究工作。在微尺度多相流方面，实验中发展了基于三相流体共轴流动的微流控台阶乳化液滴制备方法，以高通量制备内外径均一、壳厚度极薄的双乳微液滴；理论上为Hele-Shaw管道内及台阶附近的三相流动建立理论模型，得到三阶常微分方程组用以描述准稳态界面形貌。同时揭示了液滴形成机理，并对于液滴大小和形成模式给出了理论预测。在复杂流体方面，实验中建立了观测复杂流体薄膜剪切流的反射、透射、PTV及透射光栅实验方法，用于通过宏观、微观及三维的方式表征复杂流体剪切流动过程中的物理现象。理论工作中结合流变特性和剪切流动本质，揭示复杂流体受强剪切作用时，法向应力对于流动的影响机制，以及接触线不稳定波长的选择机制。此外在微流控技术领域，建立了具有10-100微米级空间分辨率的微管道内部加热方法，并实现相同空间分辨率的壁面温度分布，有望发展基于传热方法的微尺度液体驱动。本项目研究对于微尺度多相流动和复杂结构液滴的生成给出理论模型，对于复杂流体薄膜剪切流动给出物理特征分析，将主要为载药技术和药物输送领域提供理论指导。成果在流体力学及微流控领域期刊Physics of Fluids, Physical Review Fluids, Lab on a Chip共发表论文3篇，申请发明专利1项。