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液体蒸发诱导自驱动微涡流及其应用

流场形貌的控制一直是微流控领域一个重要的基础问题。其中,涡流的构造和应用最为吸引研究人员的注意。在微流体通道中构造涡流的一种有效的方法是在其中引入一些障碍物或设计特殊几何结构的流道。当流动的雷诺数(Re)达到较高值(Re>20)时,就会形成涡流。但这些涡不会在低雷诺数流动区域(Re<1,称为Stokes流或蠕动流)中形成。然而,在微通道中实现高雷诺数需要非常高的流速。对于一些重要的应用,如产生局部溶解,流体混合物和化学反应,需要一个相对较低的速度,大多数微流控应用中的流动都是属于蠕动流。因此,在蠕动流中建立涡流场仍具有挑战,并且具有重要意义。


近日,中科院化学研究所宋延林点击查看介绍研究团队提出了一种利用马兰格尼(Marangoni)效应实现蠕动流下构造微米级涡流的方法。马兰格尼效应是由水-空气界面的表面张力梯度引起的,能够在流体表面产生作用力。在这种表面力作用下,在蠕动流区域可以产生旋涡流。该工作通过微结构操纵马兰格尼流提供一个蒸发诱导的自驱动涡流系统。其中马兰格尼流是由表面活性剂溶液的不均匀蒸发形成的。不均匀的蒸发在液体表面形成不均匀的表面活性剂浓度分布,从而形成马兰格尼流。在实验中,表面活性剂溶液被夹在微结构硅衬底和玻璃盖之间。因此,流体被限制在准二维空间中形成一个薄层,流体界面变得狭长,在这种情况下,马兰格尼流表现为一种浅层表面流动行为。随着表面活性剂浓度的增加,马兰格尼流的对流距离随之增大。在长距离对流的基础上,通过微结构折叠流体界面形成一些特定的形状,就能将表面流转化为涡旋流。旋涡的形态取决于流体界面的形状和流体中的微观结构,利用数值仿真模拟可以精确地预测结构中涡流模式。利用这种涡流一方面可以在微米尺度旋转微型物体,另一方面实现了具有粒径筛选功能的微米颗粒的输运和富集,能够将颗粒富集在涡流之中。这种涡流构造方法有望在微流控领域中得到广泛的应用。

图1. 蒸发诱导的自驱动涡流的实验方法。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


图2. 通过微结构折叠流体界面构造多样的涡流形貌。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

图3. 涡流实现旋转微型物体和颗粒富集。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上,文章第一作者中科院化学所博士生蔡哲仁,通讯作者为中科院化学所宋延林研究员和加拿大西安大略大学黄占东博士,通讯单位中科院化学所。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Evaporation Induced Spontaneous Micro‐Vortexes via Engineering Marangoni Flow

Zheren Cai, Zhandong Huang, Zheng Li, Meng Su, Zhipeng Zhao, Feifei Qin, Zeying Zhang, Jun Yang, Yanlin Song

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202008477


导师介绍

宋延林

https://www.x-mol.com/university/faculty/15559


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