微流道驻停气泡的生成、变化和气泡微阀机理研究

Gas-Liquid-Solid multiphase microfluidic systems implement the micro-scale air bubbles to enhance the sample mixing and reaction efficiency, yet the uncontrollable standing air bubbles in the micro-channels would deteriorate the fluidic flow. The existed researches have limits to explain the air bubble nucleation and volumetric variation phenomenon, and cannot achieve effective and real-time control of these harmful air bubbles. The applicant has initiated studies on the standing air bubble formation and variation phenomenon and collected certain preliminary results. Based on the preliminary studies, this research proposes to study the standing air bubble formation in the micro-channels, the multi-physics coupling mechanism during bubble volumetric variation, the air-liquid coupling mechanism between the standing air bubble and liquid flow, through both theoretical and experimental analysis. Further, this research proposes to establish the “bubble microvalve” system, by studying the close-loop control system of the air bubble using controllable pressure source, to achieve the bubble micro-valving during the liquid flow within the microfluidic system, such as flow resistance regulation, flow diode, and flow on-off switch. The proposed research is crucial to enhance the understanding on microfluidic multiphase phenomenon, and it can provide a basis for studying the microfluidic sequential flow system and also for the development of intelligent microfluidic molecular detection and disease diagnostic system.

微流控气-固-液多相流动系统常利用微小气泡提高样品混合和反应效率，然而微流道内出现的“驻停气泡”会对流动产生不可控的消极影响。现有研究对微流道内驻停气泡生成和变化机理的探究并不深入，且无法对气泡状态进行实时有效的主动控制。申请人对微流道内驻停气泡自发生成和形态变化等过程开展了前期研究，并得出初步结论。在此基础上，本项目拟通过理论分析和实验手段，进一步揭示微流道内驻停气泡的形成机理，研究驻停气泡形态变化过程中的多物理场耦合机制，分析驻停气泡形态变化与流道内液体流动之间的气-液耦合关系。在此基础上，拟研究“气泡微阀”系统机理，通过驻停气泡对流场进行流动阻力、单向流动、流动通断等特性调节，构建外部控制气压与流场特性之间的实时闭环控制系统。本课题研究成果对完善微流控多相流动理论体系有重要意义，为研究微流控次序反应系统、自动化智能分子检测和疾病诊断系统提供基础，具有重要的科学意义和应用价值。

微流控系统中不随液体流动的微小气泡对流场和传质过程具有较大的影响，因此加深对微尺度下驻停气泡生成和形态变化过程中的多物理场耦合现象，对封闭式微流控系统和开放式微尺度液体环境系统具有重要的意义。针对此问题，本课题将理论研究与实验对比相结合，(1) 研究了微尺度驻停气泡的生成和体积变化机理、微尺度驻停气泡与流场间耦合及调节机理、微尺度驻停气泡闭环控制系统等核心内容，揭示了驻停气泡形成过程的量化条件和主要影响因素，构建了基于微小裂隙结构的驻停气泡多相间传质过程的物理模型和数学模型，解释了大量微流控系统中出现非可控气泡的根本原因并提出了解决办法；(2) 研究了气液界面与流场耦合的物理模型，揭示了气泡在流场作用下的稳定条件，设计并实验验证了不同形式的气泡微阀结构，可对流体进行流速调节、开关调节、压力脉冲过滤等功能；(3) 建立了基于微型气压系统的驻停气泡控制方法，结合基于视觉的模糊控制理论，实现了对驻停气泡和流场的闭环控制。同时，课题开展了大量的探索性研究，分别(1) 构建了基于柔性界面的快速气液反应系统，基于驻停气泡阵列的气液接触界面，验证了浓度可控、过程可调节的快速气液反应机理；(2) 推进了基于气泡柔性界面的声流体理论，拓展了对在可变界面条件下的声流体涡流和颗粒移动理论和实验认识；(3) 结合柔性气液界面的优势，构建了基于微尺度的微操作系统，利用表面粘附力和声学吸附力，对不同类型的颗粒进行富集、移动、施力等作用。项目按照计划开展，研究成果超过预期，课题对于相关科学和技术问题的阐述对于加深微尺度多相流动、微观声流体现象的理解，构建新型微操作系统具有重要的理论价值和现实意义。