基于液晶引流效应的微流体驱动与控制机理及实验研究

针对国内外现有微流体驱动与控制技术中普遍存在的微型化难、可靠性差、驱动力小等缺点，提出基于液晶引流效应的非机械微流体驱动技术。研究特征尺寸在10微米以下的液晶盒内引流效应产生的机理及变化趋势，重点探讨引流场与配向场的耦合作用，分析引流驱动力的性质及驱动电压等外界因素对其的影响；制定Micro-PIV实验方案。以小分子液晶Leslie-Ericksen理论为基础，参考微流体尺寸与表面效应及分子力学观点，从分子间相互作用角度推导自由能密度项，确定角运动方程中的有质力及通量密度张量，建立微尺度下液晶引流分析的动力学方程组。实验中选用荧光显微镜作为光学系统，球形聚苯乙烯粒子作为示踪粒子；采用增大数值孔径的方法缩小焦深，改进粒子像质量；灰度分布相关性方法进行最终图像处理。该驱动方式可实现远程精确控制，同时具有驱动力大、驱动电压低等优点，在生物医疗等方面具有广阔的应用前景。

为了解决目前微驱动领域“微型化”的问题，提出利用液晶引流进行驱动的全新微驱动形式，通过三年的研究，目前为止已超额完成项目任务书中的研究内容，达到预定目标。首先，从理论上确定了适合计算液晶引流的自由能密度及有质力表达式，建立了直角坐标系下引流分析的动力学方程组，包括连续性方程、运动方程、角动量方程和构成方程式。其中，构成方程式的推导中引入了微流体领域国内外研究的新成果。定量分析了不同条件下引流的发生、演变及影响因素，确定了其用于微流体驱动的可行性。其次，经过大量实验确定了Micro-PIV验证实验中最佳示踪粒子浓度与实验方案，对液晶盒内电场驱动产生的引流剖面情况及非固定上板被驱动后的运动情况两方面的理论计算结果进行了实验验证。理论计算与实验验证结果十分吻合，有力的证明了该项目所提出全新液晶引流驱动方式的可行性和优越性。. 项目的理论研究成果已陆续整理并发表，到目前为止，参加相关国际会议10次，发表期刊论文13篇，其中EI收录10篇。此外，已录用及已投稿的科研论文10篇。申请发明专利1项。实用性成果有：专用于微流体计算及可视化软件1个，已通过河南省软件评测中心测试；研制成功新型双驱动微量注射泵，已通过河南省科技厅鉴定，结论为国内领先。同时，在此项目研究成果的基础上，我们进行了两个方向的拓展研究，分别是利用液晶缺陷的变化及利用界面效应的温度驱动方式，其中基于液晶缺陷变化引起的流动进行驱动的方向成功申请到了2014年国家自然基金青年-面上连续项目的资助。. 项目执行的三年间，对实验室已有设备按照项目的要求进行了改良，并为满足改进后的实验方案要求，更换了部分关键性设备，提高了实验的精度与效率。经过该项目的锻炼，稳定了科研团队，青年成员快速成长为团队的核心力量，先后有两名教师由讲师晋升为副教授，两名研究生顺利毕业，培养了一名学科带头人，凝练了团队的学科方向。