微纳米尺度流动实验研究的问题与进展

微纳米实验流体力学研究的流动特征尺度在1mm～1nm范围,处于宏观流动到分子运动的过渡区。连续介质力学与量子力学这两个经典理论的衔接,提出了诸如连续性假设适用性、边界滑移等基本理论问题。同时从微纳米尺度研究界面处液/固/气的耦合,化学、电学性质对流动的影响值得关注。微纳米实验测量仪器融入了力、电等测量手段,要求测量空间精度达到nm量级,力的测量精度达到pN,时间分辨率达到ns。本文围绕连续性假设适用性、边界滑移、微纳米粒子布朗运动及微尺度涡旋测量等问题,介绍了 Micro/Nano PIV、示踪粒子流场显示等技术应用于微纳流场观测的进展与难点。目前微纳米流动测量仍然沿着经典流体力学测量“小型化”的思路开展,而纳尺度的测量期待着新的实验方法与技术的提出。     

全内反射测速技术(TIRV)中界面隐失波基准光强I0的确定

基于隐失波全内反射的测速技术TIRV (Total internal reflection velocimetry)是微纳流动中测量壁面附近几百纳米范围内速度的有效方法。隐失波的光强分布I (z)随离开壁面的高度z指数衰减。若荧光粒子位于光强分布中,其亮度也将符合此指数关系,通过测量粒子亮度可确定粒子的垂向位置z,而确定隐失波的基准光强I0是该技术的关键之一。基于粒子近壁Boltzmann浓度分布、粒子粒径不均匀性和隐失波光强公式,给出了粒子亮度概率密度分布的数值解。实验测量粒子统计亮度分布后,依据实验和理论分布相同原则可定量确定基准光强I0。采用φ100nm和φ250nm 荧光粒子验证此方法并定量分析了粒径分散性对确定 I0的影响。进一步采用φ100nm粒子进行近壁速度测量实验,结果验证了本方法的有效性。     

MPT方法中的纳米粒子识别技术

多粒子追踪（MPT）是测量粒子布朗运动的一种方法。在200nm粒子扩散系数实验测量中,对MPT方法中的粒子识别和粒子匹配两个重要环节提出改进：在粒子识别时,通过调节灰度阈值并检测光斑面积的改变,可有效分别真实粒子和光晕引起的＂伪粒子＂;在粒子匹配中,将手动追踪和程序追踪得到的粒子单步位移用矢量法表示,可直观显示不同追踪方法的粒子匹配效果。实验结果表明,在MPT方法中增加上述措施后,手动追踪和程序追踪获得的实验扩散系数之间的偏差由8%~13%减小为2%~8%,说明基于阈值敏感性的＂伪粒子＂剔除方法合理、有效。     

液固界面滑移研究进展

滑移边界条件是流体力学研究中一个悠久而重要的科学问题，在微纳流控研究中备受关注。近年来，对简单流体（如水）在光滑液固界面的滑移长度的量级逐渐取得共识，而对复杂流体在液固界面的滑移研究方兴未艾。本文综述了从简单流体扩展至复杂流体的研究过程中，滑移实验研究的新的测量结果以及理论描述方法。重点介绍了近期Charlaix教授课题组采用表面力仪测量高分子电解液的滑移结果，以从介观角度理解复杂流体在液固界面的滑移及其影响因素。     

磁性纳米颗粒对微槽道液体流动的混合增强作用

为了改进微流控芯片中液体混合效率,尝试在一种液体中加入磁性纳米颗粒,增强与另外一种液体混合.在外加磁场作用下,对Y型微槽道中磁性与非磁性液体流动混合进行了实验观测,所需混合长度较无磁场时缩短了约2个数量级.利用CFD软件进行数值模拟,验证了外磁场作用下纳米磁性液体对流动混合有着明显的强化作用.     

壁面带微结构管道内Cassie状态稳定性的实验研究

保持液体在微结构表面处于Cassie状态,是流动减阻的关键。首先利用MicroPTV分别测量了带微结构侧壁处于Cassie和Wenzel状态下的流场速度,表明Cassie状态下近壁速度提高至光滑表面的1.6倍,而Wenzel状态下近壁速度将减小。通过精细控制微管道的驱动压强,观察了液体在近壁由Cassie向Wenzel状态的转变,并测出C/W转变的临界压强值Δpcr约10.9kPa,与Laplace理论预测值10.15kPa基本相符。考虑到Cassie状态失稳也会发生在液体进样过程中,实验还观察了微结构角点对液体进样的＂锚定＂作用,并初步分析了液体进样中自由液面在微结构表面保持Cassie状态的条件。     

基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段，并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中，测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力，尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数，是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外，在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用，可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势，从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。     

气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验研究

本文通过Pt-SiO₂型（铂-二氧化硅型）中空Janus微球在低浓度2%~4% H₂O₂溶液中的气泡驱动实验，观察到在每个气泡生长-溃灭周期内，Janus微球的运动呈现3个特征阶段，分别为自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭。其中气泡溃灭阶段微球在射流驱动下的推进速度可达每秒几十毫米，比前2个阶段的平均速度大2~3个数量级。实验观察到气泡生长阶段其半径与时间存在R_b~t1/3和R_b~t1/2两种标度率。由于气泡在Janus微球催化剂表面（Pt侧）的生长点偏离对称轴位置，Janus微球的运动轨迹呈圆周形。随H₂O₂溶液浓度的增加，还可以进一步提高Janus微球的运动速度。此研究不仅定量分析了Janus微球的运动特性，而且为实际应用中提高Janus双面微马达的运动速度和能量利用率提供了参考依据。     

"微纳流动与复杂流体"专刊简介

正二十一世纪初"微流控芯片""基因工程"等高新技术的兴起促进了微纳流体力学的发展。经典流体力学早期就开展了"低雷诺数""多孔介质"等低速、小空间尺度流动的研究,但微纳流动研究的空间或粒子的尺度更小,在一纳米至百微米范围,流动介质涉及细胞液、乳浊液等复杂流体。因此,微纳流动和复杂流体的研究具有了介观尺度的特性和更强的应用背景,需要流体力学、统计物理、化学、材料科学、生物学等多种学科的有机融合。《实验流体力学》适时推出"微纳流动与复杂流体"专刊,初衷是"为促进交流,希望向非力学专业(如化学、生物等)相关领域的学者们介绍微纳流动研究的前沿进展"。     

MPT方法中的纳米粒子识别技术

多粒子追踪(MPT)是测量粒子布朗运动的一种方法.在200nm粒子扩散系数实验测量中,对MPT方法中的粒子识别和粒子匹配两个重要环节提出改进:在粒子识别时,通过调节灰度阈值并检测光斑面积的改变,可有效分别真实粒子和光晕引起的"伪粒子";在粒子匹配中,将手动追踪和程序追踪得到的粒子单步位移用矢量法表示,可直观显示不同追踪方法的粒子匹配效果.实验结果表明,在MPT方法中增加上述措施后,手动追踪和程序追踪获得的实验扩散系数之间的偏差由8%~13%减小为2%~8%,说明基于阈值敏感性的"伪粒子"剔除方法合理、有效.