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航空学院湍流与复杂流体实验室在交变电场控制液滴变形方面的研究取得进展
2016-06-03 14:21   审核人:

微流控芯片(lab-on-a chip)技术及微流控器件是近年来发展迅速的多学科交叉研究领域,相比于传统方法,微流控技术能够实现对微量多相流体的精确操控,可应用于先进材料合成、化学分析、蛋白质结晶、单细胞培育及检测、信息处理等领域。基于液滴或者气泡的多相微流控是近年来微流控技术中快速发展的最重要分支之一。微尺度液滴长久以来在石油开采、食品添加、制药、化妆品、化学反应催化等工业领域发挥着重要作用。实际应用中,每一个液滴均可视为独立的微反应器,其反应具有更快的传质传热效率,能大大减少昂贵试剂的消耗。同时液滴与液滴之间相互独立,避免了交叉污染。因此如何在微通道中实现对单个液滴的精确操纵具有重要的研究价值与应用前景,而对于微流液滴在不同外加作用(如外加电场、磁场、声场、温度场和光场等)下的流动机理及动态行为的研究是实现对微液滴物理化学特性精确操控的重要前提。

湍流与复杂流体实验室硕士研究生郭伟,在郗恒东教授和澳大利亚格里菲斯大学陈世华博士合作指导下针对微流控芯片中微液滴在交流电场作用下的变形开展了系统的实验研究。首先通过典型的交叉流动(T-junction)方法在PDMS微流装置中产生半径约为50微米的water-in–oil型微液滴,并通过控制连续相(mineral oil)和离散相(DI water)的流速来控制微液滴的大小。在给定流速下,通过改变施加在电极上的正弦交流电的幅值与频率,产生不同的电场环境。实验发现对于给定流速的微液滴,其在电场中的变形随电场强度的增大而增大。当电场强度小于某个临界值时,液滴的变形基本上与电场强度的平方成线性关系,且不受交流电场频率的影响。当电场强度大于该临界值时,交流电场频率对液滴变形的影响开始显著:在给定的电场强度下,电场频率越高,液滴变形越大。为此他们分析了该现象背后的物理机制,构造了等效电路模型来解释该实验现象,结果表明等效电路模型能有效地描述给定流速的微液滴在交流电场下的动力学行为。

该研究组对不同流速和流量比(连续相流速比离散相流速)下的液滴变形进行了研究。将交流电场的频率保持在50 kHz, 改变实验的流量比,结果发现在给定电场强度与频率下,大流量比产生的微液滴具有较小的变形。他们通过机理分析得出液滴变形的大小主要取决于作用在微液滴上的介电力与粘性力的相互作用,对于给定的电场条件,不同流量比产生的微液滴受到的介电力大致相同,而大流量比产生的微液滴受到粘性力的作用更大,二者的综合作用使得液滴变形随流量比的增大而减小。最后基于以上实验结果与分析,通过向电极施加经方波调幅调制的正弦信号,实现了对微液滴周期性形变的精确控制,该结果可用来实现微液滴内部流动介质的快速混合中,具有广阔的应用前景。

这项工作已经在线发表在学术期刊《Lab on a Chip(微流体领域顶级刊物,中科院一区,IF=6.1)上。 此论文是西北工业大学在《Lab on a Chip》上发表的第一篇论文。(撰稿:郭伟,审稿:杨智春)

论文链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2016/lc/c6lc00448b

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