進展|膠體微器件的設計取得進展

2020-12-05 中科院物理所

膠體溶液由介觀尺寸（1納米-10微米）的粒子懸浮在流體溶劑之中所構成。由於膠體粒子和微流通道在尺寸上的天然匹配，以及膠體合成與微納流技術的快速發展，近年來膠體粒子經常被用來製作微流器件，在微流環境中執行特定任務。膠體微器件不僅具有重要的應用價值，而且由於其工作於非平衡且熱漲顯著的環境中，也為研究非平衡統計物理提供了理想的模型系統。

膠體微器件的開發並不只是把宏觀器件縮小到介觀尺度的技術問題，因為微尺度流體環境具有與宏觀尺度完全不同的物理特徵，例如：（1）表面與體積比很大，以至於表面效應十分重要，（2）熱漲落顯著，（3）雷諾數低。如何根據微流環境的這些特點來設計新型高性能的膠體微器件是軟凝聚態物理研究領域的一個熱點方向。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質實驗室SM08組在利用膠體的各向異性泳效應設計微器件方面進行了一系列的探索。泳效應(phoresis)是一類重要的表面物理效應，它指的是外加梯度場導致的膠體粒子在溶液中的定向遷移運動，例如溶質濃度梯度導致的擴散泳、溫度梯度導致的熱泳。泳驅動力來源於粒子與周圍非均勻流體的相互作用。對於通常的球形膠體粒子，泳力的方向平行於梯度場。SM08組的楊明成副研究員與合作者首次提出非對稱的膠體粒子具有各向異性的泳效應的觀點，泳力的大小及方向依賴於粒子在梯度場中的取向，並通過計算機模擬實現證明[1-3]。由於這一效應，非對稱粒子可以獲得垂直於梯度場的泳力分量。由兩個非對稱粒子組成的手性膠體結構可受到平行於梯度場的泳力矩，進而單向的自轉，形成一個由擴散流驅動的微渦輪機。這樣的微渦輪可用在外界的熱梯度[1]或化學梯度[2]中把擴散流中的熱能或化學能轉化為有用功，這一類能量在大部分的應用中通常都白白流失掉了。這種擴散流驅動的微渦輪與宏觀流驅動的渦輪機（例如風力發電機）工作原理有本質不同。由於微流環境中溫度和化學梯度普遍存在，而且強度比宏觀環境中要高很多，這種梯度驅動的微渦輪特別適用於微環境之中。

最近，軟物質實驗室SM08組的研究生沈明仁（已畢業）在楊明成副研究員和陳科研究員的指導下利用各向異性泳效應設計出了垂直軸微渦輪機（圖1）[4]，並通過計算機模擬驗證了它們的可行性。這種擴散流驅動的微渦輪的轉動方向垂直於外界梯度場，與之前的微渦輪機相比它的工作時無需根據梯度場方向調整轉軸指向，因而大大地提高了在大漲落的微環境中應用的靈活性。垂直軸微渦輪機的工作模式類似Darrieus類型的風力發電機，因此這一工作也建立了擴散流驅動的微渦輪機與宏觀流驅動的渦輪機之間的完整對應。在膠體微流泵方面，楊明成副研究員與德國於利希研究院的合作者發現棒狀膠體粒子的泳力可以導致周圍流體垂直於梯度場流動，因此可以被用來設計梯度場驅動的微流泵（圖2）[5]。由於強烈的流阻效應，在微米級的管道裡長距離輸運流體一直是微流器件中的難題，而這種膠體微流泵完美的解決了這一問題。該微流泵的重要優點是流體的流動方向與梯度場垂直，原則上可在無限長的微管道內輸運流體，因而在微流晶片中具有巨大的應用潛力。

相關結果最近發表在 [Phys. Rev. Applied. 12, 034051 (2019); Phys. Rev. Applied. 11, 054004 (2019)]上。本項目獲得了國家自然科學基金(批准號11874397, 11674365, 11474327, 11774393)、科技部973項目(2015CB85680)的資助。

圖1：（左圖）擴散流驅動的微渦輪機示意圖。三對啞鈴狀粒子所構成的手性膠體結構處於梯度場之中，不同的粒子顏色代表不同材料，外加的梯度場可以是熱或者化學梯度。該手性結構受到一個垂直於梯度場的泳力矩。（右圖）動力學模擬所得到的渦輪機轉角與時間的關係。在泳力矩的作用下，該膠體結構繞其中心、垂直於梯度場單向地轉動。轉速大小依賴梯度場的幅度，轉動方向僅取決於膠體結構的手性而與梯度方向無關。

圖2：（左圖）溫度梯度驅動的微流泵示意圖。棒狀膠體粒子固定於充滿液體的微通道內，通道上下邊界牆具有不同的溫度。膠體粒子受到一個垂直於溫度梯度（即平行於通道）的熱泳力。（右圖）動力學模擬所得到的流場。固定膠體棒所受到熱泳力的反作用力驅動周圍流體的定向流動，黑箭頭表示淨流場，綠箭頭表示蝸旋流場，顏色代表流速。

文章 1 DOI：10.1103/PhysRevApplied.12.034051

文章 2 DOI：10.1103/PhysRevApplied.11.054004

[1] M. Yang, R. Liu, M. Ripoll and K. Chen, Nanoscale, 6, 13550 (2014).

[2] M. Yang, R. Liu, M. Ripoll and K. Chen, Lab on a chip, 15, 3912 (2015).

[3] Z. Tan, M. Yang and M. Ripoll, Soft Matter, 13, 7283 (2017).

[4] M. Shen, R. Liu, K. Chen, and M. Yang, Phys. Rev. Applied. 12, 034051 (2019).

[5] Z. Tan, M. Yang, and M. Ripoll, Phys. Rev. Applied. 11, 054004 (2019).

編輯：赤色彗星

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