基于水弹性和气动弹性效应的微流体操控机理和方法研究

Microfluidic manipulation is an important topic of the microreactor and lab-on–a-chip technology. It is also a key factor that influences the commercialization of relevant products. Conventional methods usually rely on external controllers to apply driving forces, raising the complexity and cost. In this project, we propose to develop new methods basing on aero-/hydroelastic effects. Through interactions between the elastic component and the fluid, self-control and regulation of the flow can be realized so as to simplify the design. The modeling of microfluidic systems with elastic deformable features will be conducted. Through both theoretical analysis and experimental testing, the fluid flow and movement of the elastic component will be characterized, and based on which methods for fluid and microparticles manipulations will be developed. The application of pulsating pressure of oscillatory flow for droplets generation will also be discussed. Relevant results will help to gain a better understanding of the fluid-structure interaction phenomenon at micro scales, and provide theoretical guidance and valuable references for practical applications.

微流体操控技术是微流控芯片和微反应器技术领域的重要研究内容，也是当前制约微流控芯片技术产业化的一个关键因素。本项目针对传统技术多依赖于控制器来施加驱动力、系统比较复杂、成本较高等不足，提出利用水弹性和气动弹性效应来发展新的微流体操控技术，通过流体和弹性结构的相互耦合作用实现流动的自我调控，从而提高微流控技术的自动化程度并简化相关设计。研究采用理论分析与实验测试相结合的方法，着重探索微尺度下弹性结构和流体间相互作用机理，以及两者运动特性和调控规律；发展和完善对含有弹性可变形结构的复杂微流体系统进行模型化分析和求解的方法；在此基础上，利用弹性结构的振动对流场的扰动影响来发展对流体以及流场中微粒进行操控的方法，并考察振荡流场中压力波动在液滴生成中的应用。研究结果可以帮助理解微尺度下流固耦合现象中的复杂物理问题，也将为实际工程应用和相关微流控器件、系统的设计提供理论依据和技术支撑。

作为一个新兴交叉学科领域，微流控技术受到了越多越多的关注，相关成果不断涌现。但其产业化进程仍然受到一些瓶颈因素的制约，包括对外部器件的依赖性较强、可靠性不足、成本偏高等。这些问题的解决有赖于微流体操控技术的进一步发展。为此，本项目提出利用水弹性和气动弹性效应，通过流体和弹性结构的耦合作用来实现流动的自我调控，提高微流控技术的自动化程度，简化相关设计。主要研究工作和成果总结如下：. （1）研究了微尺度下弹性结构和流体间相互作用机理，以及两者运动特性和调控规律。对基于水弹性效应的微流体振荡器建立了等效电路模拟；阐释了其“负阻振荡”这一工作机理，以及不同振荡模态的形成过程、器件失效原因等；系统考察了关键设计参数和操作参数的影响规律，为负阻振荡器的设计优化提供了参考依据。. （2）发展了基于水弹性和气动弹性效应的微流体操控技术。(i)将振荡流与微型腔室相结合设计了一种新型微混合器，提高了高流量条件下流体的混合效率。(ii)利用气动弹性效应，以气-固-液三相耦合的方式设计了一种微型腔室混合器，实现了微量液体的快速混合。(iii)开发了基于振荡流的微液滴制备主动控制技术。微液滴生成频率与振荡频率一致，体积与离散相流量成正比，从而实现了对液滴大小的独立调控。在此基础上，用单一扰动源实现了多个不同大小、粘度的微液滴的同步生成，以及排列、融合操作。. （3）探索了新型微流控器件的工程应用。利用振荡流微混合器和重结晶方法研究了微纳米含能材料的制备，实现了对制备条件的快速筛选，且获得的产物在形貌和粒度的均一性方面都有所提高。此外还考察了微型腔室混合器在PCT（降钙素原）检测中的应用，通过强化混合过程，有效提高了PCT抗体对抗原的捕获率，从而提高了检测精度。. 以上研究结果促进了对微尺度下流固耦合这一复杂物理问题的理解，丰富了微流控技术手段，同时为实际工程应用和相关微流控器件/系统的设计提供了理论依据和技术支撑。