微尺度驻停气泡柔性气-液界面抗流体剪切能力

在微流控系统中,稳定、可控的柔性气-液界面可实现声流体颗粒富集、微纳操作、快速气-液反应等各种实际物理和生化应用.微流道内气-液界面的抗流体剪切能力对于增强微尺度下气-液界面的可控性具有十分重要的意义.为此,文章研究了具有高稳定性、高可控性、可阵列化的微尺度驻停气泡现象.利用嵌入局部裂隙的微流道以及与之平行的气体流道,可对驻停气泡的生成和形态进行有效调节,并利用其可控的气-液界面实现多种功能化应用.在此基础上,文章进一步研究柔性可控气-液界面的抗流体剪切能力,对形态变化中的气-液界面受力进行分析,利用仿真和实验手段研究不同状态下气-液界面的形状特征,研究不同的液体驱动压力、裂隙尺寸以及裂隙形状对气-液界面抗剪切能力的影响,并将界面的曲率半径作为气泡驻留与否的判定依据.文章对驻停气泡柔性气-液界面抗流体剪切能力的研究有助于优化其控制方法,增强其控制稳定性并拓展其潜在应用场合.

基于可控微气泡的声涡流颗粒轨迹变化研究

超声波与液体中微尺度气泡相耦合时,会产生独特且复杂的声流动(Acoustic Streaming)现象,已被广泛的应用于医疗、生命科学、军事等领域。然而,在气泡声流控(Bubble Acoustic)应用以及研究中,对微尺度气泡形态和尺寸难以形成有效控制,使得该项技术的可重复性和应用范围受到限制。针对此问题,引入了可控微尺度气泡的概念,利用聚二甲基硅氧烷材料的透气斥水特性,可实现对微尺度气泡生成及其形态变化的有效控制。在此基础上对声流动涡流中颗粒的受力状态进行了理论分析,并通过改变对比实验的核心参数,探究声流动引起的涡流中颗粒运动轨迹与气泡尺寸、颗粒尺寸之间的关系。研究结果表明,通过调节气泡尺寸可实现稳定、线性的声场涡流控制。可控微尺度气泡的引入提高了声流动现象的可重复性,并拓宽了气泡声流控技术的应用范围,对建立自动化、智能化、柔性化的快速细胞分选系统以及疾病快速检测系统具有重要意义。

基于柔性可控气液界面的微尺度执行器

为了在微尺度范围内实现对目标对象进行柔性施力、推拉等一系列微纳操作,提出一种通过生成控制单个微尺度气泡直接与目标对象进行微纳操作的方法。当用气泡作为执行器对目标对象施力时,由于气体的可压缩性,气泡会被挤压变形,实现了柔性施力的过程。首先通过毛细管连接气泵的方式在液体环境下生成单个微尺度气泡,并定性分析气压法生成控制气泡变化的过程;随后,为了验证气泡可以作为执行器对研究对象进行施力,实验以一个微型悬臂梁作为参照物,气泡作为执行器对悬臂梁的末端施力,通过悬臂梁的形变来估算气泡的施力值。对实验数据进行分析,得出气泡作为执行器特性以及气泡的形变与其输出力之间的线性关系。