基于液晶缺陷流动的微流体驱动与控制方法机理研究

This study is put forward on the basis of the research results of the Youth Fund, and focuses on a new micro-fluidic drive and control method based on the liquid crystalline defect flow. The formation and evolution mechanism of the liquid crystalline defect in a cell with feature size less than 10 micros is the main point, and the flow in this changing process is the other important point of this study.Theoretically Doi theory based on molecular statistical mechanics is taken as foundation, and the aligment distribution density function is introduced to represent the aligment state of the liquid crystal molecules. The Marrucci-Greco potential field theory is selected to take into account the Van der Waals force, the long, short role of the molecules and the elastic forces. The Feng stress is used to be the constitutive equation.For the experiments, the Micro-PIVmethod is used, and the fluorescence microscope is used to be the optical system. For the tracer particles, the capsule spiral liquid crystal is used since it can display defect flow velocity and temperature fields simultaneously. With this new driven method, the long-range precision control, the simplification of the actuators design can be achieved, it is expected to be used widely in the areas such as biomedical.

本研究是在已获青年基金研究成果基础上提出的基于液晶缺陷流动的全新温度热量控制微流体驱动方法，主要研究特征尺寸在10微米以下的液晶盒内缺陷的形成与演变机理及该过程中所发生的液晶流动，重点探讨流动的速度场、应力场及温度场的耦合作用，分析液晶缺陷流动驱动力的性质及温度变化等外界因素对其影响，制定验证实验方案。理论上以基于分子统计力学的Doi理论为基础，采用配向分布密度函数表示液晶分子的配向状态；引入Marrucci-Greco势能场理论以兼顾范德华力、分子长短程作用及各种弹性力的影响；选择Feng应力式作为构成方程式。实验继续使用Micro-PIV方法，选用荧光显微镜作为光学系统；胶囊式螺旋相液晶作为示踪粒子，可同时得到缺陷流动的速度场与温度场，提高实验验证的速度与精度。该驱动方式可实现远程精确控制，简化驱动器的设计，有望在生物医学等领域得到广泛应用。

随着微流体系统，尤其是生物芯片及芯片实验室技术的发展，微流体驱动与控制技术越来越引起研究者的注意。本项目是在已获得的青年基金的基础上的拓展研究，青年基金主要针对的是电场作用下所产生的液晶微流动机理及应用。本项目主要针对温度场变化时所产生的液晶微流动，即进行了液晶缺陷形成、演变及消失过程中所产生微流动的机理及控制研究。通过项目的实施，提出了一种基于XRD等材料实验数据与Maier-Saupe理论相结合的数值计算求解液晶材料Leslie粘滞系数的方法，适用于小分子和高分子液晶材料，可以解决目前热致性高分子液晶材料Leslie粘度值通过实验方法获取难的问题；建立了微尺度下液晶缺陷流动的计算方程组，数值计算液晶缺陷形成、演变及消失过程中形成的微流动，明确了温度的变化对流动的影响；搭建了测量温度场变化引起的液晶微流动测量系统，自制了部分系统所需关键设备；首次尝试运用分子动力学模拟的方法从分子层面上对缺陷形成及演变消失温度进行数值实验，并与实验数据进行了对比，结果吻合程度较高，即液晶缺陷的形成温度与材料成分有关系，常用5CB材料会在31℃与35℃附近会形成密集缺陷。除此以外，研究还发现，液晶材料不仅在降温过程中会形成缺陷，在升温过程中也可以产生液晶缺陷，生/降温速率相同的情况下，升温时所产生的液晶缺陷持续时间较短，这种现象在团队所查得的文献中还未见报道。. 项目组通过4年的努力，顺利完成了项目计划书中的研究内容，达到了预期的研究目标。在完成项目任务书的基础上，项目组进行了针对缺陷控制的相关拓展研究，实现了通过控制液晶缺陷的形成位置定向产生微流动的目标，为液晶缺陷微流动研究提供了新的发展方向。 本项目的实施为基于液晶引流的微流体驱动技术开发及应用提供了必要的理论基础，丰富了液晶力学的理论成果，对液晶微流体驱动与控制技术的实现具有重要意义。