基于晶格Boltzmann方法研究亚微米颗粒可调控的惯性聚集和分选

With the rapid development of microfluidics, inertial focusing and separation have gained significant attention. Independently of the external force field, inertial microfluidics offers accurate control of microparticles by means of purely hydrodynamic interactions at high speeds at which traditional microfluidic can no longer work. However, inertial microfluidics cannot effectively control submicron- and nano-scale bioparticle, nor can real-time regulate the position of particle focusing in the microchannel. The curved and spiral channels, which are often used to improve the focusing efficiency, increase the system complexity and hinder improving the throughput by parallel structure. In this project, a lattice Boltzmann model coupled with thermal fluctuation and boundary slip will be developed to numerically study the inertial microfluidics of submicron bioparticles and deeply investigate the characteristic laws of submicron inertial focusing and separation. The electrowetting and boundary slip are utilized to regulate the fluid velocity distribution and the local secondary flow in the straight channel. This not only promotes the focusing efficiency but also actively control the focusing position. These studies will be helpful to understand the interactions of the nonlinear factors in inertial microfluidics, realize more accurate and flexible control of the submicron bioparticles, and design high-throughput microfluidic chips based on the parallel of straight channels.

微流控技术的蓬勃发展为颗粒跨流层惯性聚集现象开辟了应用舞台；不依赖外部力场而仅凭借流体力学机制，惯性微流控能够在传统微流控技术不再适用的高速度下控制微颗粒的汇聚和分离。然而，目前惯性微流控还不能有效地操控亚微米尺度的颗粒，也不能实时地调整颗粒在通道内的聚集位置；为提高颗粒聚集速度而采用的曲线型通道，既增加了系统的复杂性，又阻碍了利用大量通道并行来提高微流控芯片的吞吐量。本项目拟耦合热涨落和边界滑移发展介观的晶格Boltzmann方法，对典型亚微米生物颗粒的惯性微流控进行系统的模拟研究，探索亚微米尺度颗粒惯性聚集和分选的特有规律。在直型通道内，采用电润湿的边界调控机制控制流速分布和局部二次流，加速颗粒汇聚和实时调控颗粒的聚集位置。这些研究有助于深入理解惯性微流控中各种非线性因素的作用，实现灵活地操控亚微米生物颗粒，并基于直通道并行结构设计高吞吐量的微流控芯片。

微流控是21世纪科学的杰出成就；其中，惯性微流控是基于流体力学中颗粒跨流层惯性迁移原理，实现对微通道中颗粒的聚集和分选；它不依赖流体成分、通道材质和颗粒的电磁性质，具有结构简单、高吞吐量和高可靠性等优势。与介电泳、磁泳、声泳等主动型微流控技术不同，惯性微流控不依赖于外部力场驱动颗粒，能够以更高通量实现微颗粒的汇聚和分离。但是，目前惯性微流控不能实时地操控微纳米尺度的颗粒，无法主动调整颗粒在微通道内的聚集位置；研究中为提高颗粒聚集速度而经常采用的曲线型通道，不但增加了系统的复杂性，而且阻碍了利用大量通道并行来提高微流控芯片的吞吐量。本项目基于介观动理学晶格Boltzmann方法，研究微纳米颗粒可调控的惯性聚集和分选，增强惯性微流控的灵活有效性。在项目执行期间，课题组提出了基于边界滑移控制微通道中颗粒侧向平衡位置的方法，在被动型的惯性微流控中实现了对颗粒垂直位置的主动地实时调控；提出了基于PB方程的微纳尺度电润湿模型，控制微通道边界滑移、流速分布和表面润湿性；并研究了生物微颗粒的惯性聚集、调控和沉降等行为。为了精确刻画表面润湿性质，提出了超大密度比的多相流模型，实现了高精度的多相流曲线边界条件和曲面接触角测量方法，并对液滴在异构表面上的复杂运动进行了力学分析，支持微颗粒表面和通道界面润湿性的研究。进一步探索了含有气态区域的液固界面性质，研究了表面微纳米气泡的超常稳定性问题，理论解释了稳定纳米气泡到不稳定微米气泡的状态转变，以及表面纳米气泡的超长寿命、超大接触角和扁平形态特征。开展了基于GPU计算的晶格Boltzmann方法并行加速的研究，扩大了模拟流场，提高了计算效率和计算精度。这些研究有助于深入理解惯性微流控中各种非线性因素的作用，实现主动灵活地操控微纳米生物颗粒，加深了对固液界面的认识，为基于直通道的并行结构设计高吞吐量的微流控芯片提供了理论支持。