基于人工结构声场可定量调控声流效应的微纳颗粒操控研究

Acoustic manipulation, namely trapping, aligning, transporting and sieving micro-\nano-particles with acoustic effects, provides a valuable tool to investigate the mechanical, physical and biochemical properties of the particles such as metal, cell and DNA etc.. Although acoustic manipulation of micro-scale particles has been realized using the acoustic radiation force, the nano-scale particles have not be trapped steadily with the mechanism yet. The reason is the acoustic radiation force is proportional to the third power of the particle radius, and the disturbances such as Brownian movement of nano-particles could not be ignored. Acoustic streaming, the steady flow originating from nonlinear effects of the acoustic wave, also can be used to manipulate micro-particles. More importantly, the force of the acoustic streaming on a particle is proportional to the second power of the particle radius, thus it is potential to manipulate nano-particles with the mechanism of acoustic streaming. This research will focus on the tunable, high-throughput, and paralleled manipulation of nano-particles by designing and optimizing the artificial-structure-modulated acoustic field induced acoustic streaming; modelling the acoustic field-flow field-particle system, and simulating it numerically; integrating three modules of acoustic manipulation, flow visualization, and post processing on a microfluidic device; exploring the two mechanisms that how the artificial-structure-modulated acoustic field will tune the acoustic streaming quantitatively, and how the flow field will manipulate the micro-\nano-particle; developing the theory and system design method of the acoustic manipulation of nano-particles. This study will develop a new kind of technique to investigate micro-\nano-particles’ characteristics, and assembly micro-\nano-structures, and is important in science and application.

对微纳米颗粒捕获、排列、移动、筛选的声操控技术，可为研究金属、细胞、DNA等微纳颗粒力学、物理和生化特性提供重要研究手段。基于声辐射力的操控技术，已实现对微米颗粒的操控。然而，声辐射力与粒径三次方成比例，且布朗运动等扰动因素不可忽略，因而基于声辐射力无法稳定捕获纳米颗粒。声波非线性效应产生的稳态流动，即声流效应，也可用于操控微米颗粒，更重要的是声流效应的作用力与粒径平方成比例，因此具有操控纳米颗粒的可能。本项目拟通过设计并优化人工结构声场的声流效应实现对纳米颗粒的可调控、高通量、并行捕获、排列等操控。通过建立纳米颗粒在人工结构声场定量调控的流场中的物理-力学模型及其数值仿真方法和片上实验系统，研究人工结构声场定量调控流场的机制和流场操控纳米颗粒的机制，进而建立纳米颗粒声操控理论和系统设计方法。本项目的成功研究将为微纳颗粒特性研究及微纳结构组装提供新手段，具有重要科学意义和应用价值。

对微纳米颗粒捕获、排列、移动、筛选的声操控技术，可为研究金属、细胞、DNA等微纳颗粒力学、物理和生化特性提供重要研究手段。在本项目中我们研究了人工结构声场对流场的定量调控机制和对微纳米颗粒的操控机制，研究了声场参数和流场参数对微纳米颗粒操控能力的影响，最终实现对微纳米颗粒的可调控、高通量、并行地捕获、排列、输运等操控。主要工作包含以下几方面：.1）利用人工周期结构声场（声子晶体板）诱发的三维声辐射力，实现了大量微纳米颗粒沿任意路径的定向输运。该研究在微流体输运和声操控方面的进展，可提供一种无结构、可丢弃、多功能、易加工的高通量微流体设备。.2）人工结构声场不仅可以产生辐射力将微纳米颗粒排列捕获在板面，还可以在捕获位置附近产生微涡旋类型的声流。利用声流剪切力的作用，可以进一步增强被捕获的细胞的膜的通透性，促进药物的递送。因此，通过仔细的设计和加工声子晶体或者声超材料，可在微流体器件里实现对微流场的可调控操纵，在药物递送、流体混合、传热等领域具有应用前景。.3）发现狭缝声子晶体结构共振时能够将能量局域在远小于波长的狭缝空间，进一步研究发现该狭缝声子晶体系统可用于对微量液体的声速和密度进行同时传感，有望为新型微量液体传感器的设计提供新的思路和独特手段。.4）理论和实验上说明了腔边界条件的不同，会导致声场形态发生变化，从而引起颗粒的运动状态变化。因此做精确的声操控微粒实验时，应考虑实验腔边界条件的影响因素，为圆柱腔作为载体的声操控研究提供实验支持。.5）提出基于温度变化的材料与器件性能调控技术：将铁电相变材料作为温度敏感材料用于声子晶体的单元结构，该声子晶体仅通过改变环境温度，即可以实现对声波灵活的调控。该研究为设计可调控声人工结构提供了理论支撑和实验依据。