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液體蒸發(fā)誘導(dǎo)自驅(qū)動微渦流及其應(yīng)用
流場形貌的控制一直是微流控領(lǐng)域一個重要的基礎(chǔ)問題。其中，渦流的構(gòu)造和應(yīng)用最為吸引研究人員的注意。在微流體通道中構(gòu)造渦流的一種有效的方法是在其中引入一些障礙物或設(shè)計特殊幾何結(jié)構(gòu)的流道。當(dāng)流動的雷諾數(shù)（Re）達(dá)到較高值（Re>20）時，就會形成渦流。但這些渦不會在低雷諾數(shù)流動區(qū)域（Re<1，稱為Stokes流或蠕動流）中形成。然而，在微通道中實現(xiàn)高雷諾數(shù)需要非常高的流速。對于一些重要的應(yīng)用，如產(chǎn)生局部溶解，流體混合物和化學(xué)反應(yīng)，需要一個相對較低的速度，大多數(shù)微流控應(yīng)用中的流動都是屬于蠕動流。因此，在蠕動流中建立渦流場仍具有挑戰(zhàn)，并且具有重要意義。
近日，國內(nèi)研究團隊提出了一種利用馬蘭格尼（Marangoni）效應(yīng)實現(xiàn)蠕動流下構(gòu)造微米級渦流的方法。馬蘭格尼效應(yīng)是由水-空氣界面的表面張力梯度引起的，能夠在流體表面產(chǎn)生作用力。在這種表面力作用下，在蠕動流區(qū)域可以產(chǎn)生旋渦流。該工作通過微結(jié)構(gòu)操縱馬蘭格尼流提供一個蒸發(fā)誘導(dǎo)的自驅(qū)動渦流系統(tǒng)。其中馬蘭格尼流是由表面活性劑溶液的不均勻蒸發(fā)形成的。不均勻的蒸發(fā)在液體表面形成不均勻的表面活性劑濃度分布，從而形成馬蘭格尼流。在實驗中，表面活性劑溶液被夾在微結(jié)構(gòu)硅襯底和玻璃蓋之間。因此，流體被限制在準(zhǔn)二維空間中形成一個薄層，流體界面變得狹長，在這種情況下，馬蘭格尼流表現(xiàn)為一種淺層表面流動行為。隨著表面活性劑濃度的增加，馬蘭格尼流的對流距離隨之增大。在長距離對流的基礎(chǔ)上，通過微結(jié)構(gòu)折疊流體界面形成一些特定的形狀，就能將表面流轉(zhuǎn)化為渦旋流。旋渦的形態(tài)取決于流體界面的形狀和流體中的微觀結(jié)構(gòu),利用數(shù)值仿真模擬可以精確地預(yù)測結(jié)構(gòu)中渦流模式。利用這種渦流一方面可以在微米尺度旋轉(zhuǎn)微型物體，另一方面實現(xiàn)了具有粒徑篩選功能的微米顆粒的輸運和富集，能夠?qū)㈩w粒富集在渦流之中。這種渦流構(gòu)造方法有望在微流控領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。
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