微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

俞煒

（揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

液滴微流控是一項(xiàng)在微尺度通道內(nèi)通過(guò)多相流體剪切制備單分散液滴，并對(duì)其進(jìn)行操控的技術(shù)。作為微流控技術(shù)的重要分支，液滴微流控技術(shù)廣泛應(yīng)用于聚變能源、醫(yī)藥、化工、化妝品等工業(yè)領(lǐng)域，是物理、化學(xué)、材料以及生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)。針對(duì)相關(guān)學(xué)科專(zhuān)業(yè)的研究生、本科生開(kāi)設(shè)液滴微流控教學(xué)環(huán)節(jié)已經(jīng)勢(shì)在必行。流體力學(xué)是液滴微流控技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)，然而，其中很多概念由高等數(shù)學(xué)引入，理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)表達(dá)式非線(xiàn)性強(qiáng)，是高度抽象的。如果純粹從理論知識(shí)開(kāi)展教學(xué)，學(xué)生聽(tīng)起來(lái)比較枯燥，并且無(wú)法對(duì)液滴微流控過(guò)程中液滴的形態(tài)變化以及工藝參數(shù)的影響產(chǎn)生直觀(guān)認(rèn)知。而在微流控技術(shù)制備液滴過(guò)程中，微通道中雷諾數(shù)較小，多相流體以層流形態(tài)流動(dòng)，流動(dòng)狀態(tài)容易控制，在顯微鏡下流動(dòng)形態(tài)十分清晰，故通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可使學(xué)生獲得對(duì)液滴動(dòng)力學(xué)行為的直觀(guān)認(rèn)識(shí)。但現(xiàn)有與液滴微流控相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐培訓(xùn)平臺(tái)還較為欠缺，難以滿(mǎn)足相關(guān)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，所以，亟需開(kāi)展液滴微流控實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。為此，本文將搭建微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)教學(xué)平臺(tái)，展示兩種流型的相界面演化過(guò)程并分析其內(nèi)在流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理，幫助學(xué)生深入理解認(rèn)識(shí)流體力學(xué)的高度抽象理論，提升相關(guān)課程的教學(xué)效果。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)搭建

微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)教學(xué)平臺(tái)主要由兩相流體輸入裝置、十字交叉型微通道實(shí)驗(yàn)段和高速顯微成像裝置組成。如圖1 所示，連續(xù)相和離散相流體在兩臺(tái)獨(dú)立注射泵的控制下，精密地輸入固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的微通道中。為防止雜質(zhì)堵塞微通道，注射器出口加裝過(guò)濾器以保證兩相流體的潔凈。此外，微通道的下方需要利用輔助光源以獲得清晰穩(wěn)定的兩相流體界面。輔助光源采用冷光源以規(guī)避光源發(fā)熱引起溫度變化影響流體物理性質(zhì)。通過(guò)高速攝像機(jī)配合顯微鏡實(shí)時(shí)記錄微通道中兩相流體的流動(dòng)形態(tài)，并儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中。

1.2 微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)案例設(shè)計(jì)

微流控制備液滴實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的核心內(nèi)容是調(diào)節(jié)工況參數(shù)以改變兩相流體流動(dòng)形態(tài)，利用高速相機(jī)記錄液滴生成過(guò)程中兩相界面的演變過(guò)程，從而闡明液滴動(dòng)力學(xué)行為以及液滴行為調(diào)控機(jī)理。

圖1 微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)教學(xué)平臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)中的離散相選用二甲基硅油，密度ρd=897.9kg/m3，黏度μd=5MPa·s。連續(xù)相選用去離子水+40%wt 甘油+0.5%wt十二烷基硫酸鈉，密度ρc=1062.6kg/m3，黏度μc=3.8MPa·s。兩相界面張力系數(shù)σ=8.27mN/m。微通道的寬和高分別為0.4mm和0.2mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其主要過(guò)程如下：

（1）搭建微通道實(shí)驗(yàn)段：將微通道固定在三維移動(dòng)平臺(tái)上，將注射泵、聚乙烯管和對(duì)應(yīng)通道入口依次相連，在通道背面設(shè)置冷光源作為輔助光源；

（2）檢查密閉性：?jiǎn)?dòng)注射泵，檢查通道、各相管道和連接處的密封性；

（3）搭建高速顯微成像系統(tǒng)：使用支撐裝置將顯微鏡和高速攝像機(jī)固定在光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，然后，連接高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)；

（4）調(diào)整視場(chǎng)：打開(kāi)高速顯微成像系統(tǒng)和輔助光源，調(diào)節(jié)三維移動(dòng)平臺(tái)使微通道大致處于顯微鏡視場(chǎng)中央；調(diào)節(jié)顯微鏡焦距、高速攝像機(jī)拍攝速度以及冷光源的強(qiáng)弱和位置，保證計(jì)算機(jī)顯示的圖片具有足夠的清晰度；

（5）擠壓式流型觀(guān)察：?jiǎn)?dòng)連續(xù)相注射泵，并設(shè)定流量為1mL/h，待連續(xù)相流體充滿(mǎn)整個(gè)通道時(shí)，打開(kāi)離散相注射泵，設(shè)定流量為0.1mL/h。待兩相流動(dòng)現(xiàn)象穩(wěn)定后使用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄并保存到計(jì)算機(jī)中；

（6）滴式流型觀(guān)察：打開(kāi)連續(xù)相注射泵，調(diào)整連續(xù)相注射泵流量至8mL/h，待連續(xù)相流體充滿(mǎn)整個(gè)通道時(shí)，打開(kāi)離散相注射泵，設(shè)定流量為5.6mL/h。待兩相流動(dòng)現(xiàn)象穩(wěn)定后，使用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄并保存于計(jì)算機(jī)中；

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉離散相注射泵、連續(xù)相注射泵、高速攝像機(jī)、冷光源和計(jì)算機(jī)，清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)并將實(shí)驗(yàn)廢液倒入廢液回收桶。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

微流控技術(shù)制備液滴過(guò)程中主要受到四個(gè)無(wú)量綱參數(shù)的控制，包括連續(xù)相毛細(xì)數(shù)Cac=(μcuc)/σ，離散相雷諾數(shù)Red=(ρddud)/μd，離散相韋伯?dāng)?shù)Wed=(ρdud2d)/σ 以及離散相與連續(xù)相之間的流量比Q*=Qd/Qc。前三個(gè)無(wú)量綱參數(shù)分別代表了黏性力與界面張力的比值、慣性力和黏性力的比值以及慣性力和界面張力的比值。特征長(zhǎng)度d=2wh/(w+h)，w 和h 分別是通道的寬和高。液滴制備持續(xù)時(shí)間由無(wú)量綱時(shí)間t*=Qc(t-t0)/w2h 表征，其中，t 是實(shí)際時(shí)間，t0是液滴制備周期初始時(shí)刻。

2.1 擠壓式流型

擠壓式流型出現(xiàn)于兩相流量均較小的工況下。圖2 展示了擠壓式流型下一個(gè)制備周期內(nèi)的相界面形貌演化情況，包括生長(zhǎng)、擠壓、頸縮和快速夾斷四個(gè)階段。離散相流體在進(jìn)入主通道后沿著主通道軸向流動(dòng)。在經(jīng)過(guò)交叉處時(shí)，側(cè)通道內(nèi)連續(xù)相流體的對(duì)向流動(dòng)限制了離散相頭部在側(cè)通道軸向上的膨脹，使其在慣性力作用下向下游繼續(xù)膨脹（生長(zhǎng)階段，t*=0 ～4.17）。當(dāng)離散相流體的頭部阻塞了交叉處后方的通道時(shí)，側(cè)通道內(nèi)壓力將上升并擠壓離散相，使離散相頭部曲率逐漸增大直至相界面完全離開(kāi)通道壁（擠壓階段，t*=4.17～4.88），交叉區(qū)域內(nèi)的相界面也開(kāi)始內(nèi)凹形成明顯的頸部。在界面張力與連續(xù)相擠壓的協(xié)同作用下，頸部持續(xù)收縮（頸縮階段，t*=4.88 ～5.83），隨即出現(xiàn)Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性，頸部快速夾斷，形成一個(gè)塞狀液滴和一個(gè)衛(wèi)星液滴（快速夾斷階段，t*=5.83 ～6.23）。

圖2 擠壓式流型相界面形貌演化過(guò)程（Cac = 7.6×10-4，Red =0.016，Wed = 3.2×10-6，Q＊ = 0.2）

2.2 滴式流型

增大Q*時(shí)，擠壓式流型將轉(zhuǎn)變?yōu)榈问搅餍?，如圖3 所示。與擠壓式流型不同的是，滴式流型在生長(zhǎng)階段（t*=0 ～0.11）后沒(méi)有出現(xiàn)擠壓階段。這是因?yàn)橄鄬?duì)于界面張力，離散相慣性力和連續(xù)相黏性剪切力的作用增強(qiáng)（Wed和Cac增加），離散相頭部向下游伸長(zhǎng)而不會(huì)阻塞交叉區(qū)域出口。而隨著離散相頭部增大，其受到的連續(xù)相黏性剪切作用繼續(xù)增強(qiáng)，促使頸部開(kāi)始收縮，進(jìn)入頸縮階段（t*=0.11 ～0.62）最終由于Rayleigh-Plateau 不穩(wěn)定性，頸部快速夾斷，形成一個(gè)塞狀液滴和衛(wèi)星液滴，即快速夾斷階段（t*=0.62 ～0.72）。

圖3 滴式流型相界面形貌演化過(guò)程（Cac = 0.006，Red = 0.9，Wed = 0.01，Q＊ = 1.4）

3 微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用

作為對(duì)高度抽象的理論知識(shí)的補(bǔ)充，本文所建立的微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠幫助學(xué)生直觀(guān)了解液滴制備過(guò)程中的相界面演化特性。從上述直觀(guān)可視化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，任課老師可針對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，尤其相界面演化特性及流體動(dòng)力學(xué)的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行深入講解剖析，從而加深學(xué)生對(duì)流體受力博弈這一微流控本質(zhì)機(jī)理的理解與掌握，使課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)高層理論和基礎(chǔ)性認(rèn)知的層次化結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，強(qiáng)化教學(xué)效果。此外，該平臺(tái)還可以作為學(xué)生課外研學(xué)的平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)微流控芯片，探索高通量、高均勻度液滴生成的優(yōu)選工藝參數(shù)，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并搭建了微流控技術(shù)制備液滴可視化實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)教學(xué)平臺(tái)，并開(kāi)展了不同工況參數(shù)下液滴制備實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例研究，動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)了液滴制備過(guò)程中的相界面演化，分析了液滴制備過(guò)程中的相界面演化規(guī)律與流體動(dòng)力學(xué)特性。通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠直觀(guān)認(rèn)識(shí)液滴制備過(guò)程，從而進(jìn)一步加深對(duì)流體力學(xué)抽象理論和知識(shí)的理解認(rèn)識(shí)，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，推動(dòng)微流控相關(guān)交叉學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革。