【摘 要】
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微流控技术是一门涉及物理、生物、医药、化工、微电子等多个领域的新兴交叉学科。它具有的反应迅速、灵敏度高、成本低等特点使其深受广大科研人员的青睐。在液滴微流控系统
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微流控技术是一门涉及物理、生物、医药、化工、微电子等多个领域的新兴交叉学科。它具有的反应迅速、灵敏度高、成本低等特点使其深受广大科研人员的青睐。在液滴微流控系统中制备的微液滴早已被开发为具有各种功能的微反应器,其最大的优点就是能够避免载体药物间的交叉污染,实现高效的运输和反应。这类微反应器在药物输送和人体组织工程等方面有着巨大的发展潜力和广阔的应用前景。因此,对微液滴的研究十分重要。不同于水油两相流体在微通道中生成的水包油或油包水型微液滴,本文选择了一种近年来大放异彩的被称作功能性“生命体”材料—液态金属,制备具有更多可塑性形态的金属液滴。首先,本文概述了近些年国内外微流控技术的研究成果,及不同结构微通道中水油液滴(气泡)和金属液滴的相关实验。接着介绍了微尺度下几个常用的无量纲参数和三种典型微通道结构中的流体流动特点与液滴生成机理。研究了T型通道中金属液滴的生成,由于液态金属本身较大的表面张力和表面氧化膜给予的机械稳定性,使生成的单分散金属液滴(椭球状和球状)在不添加任何表面活性剂的情况下,保持较长时间的形态稳定且不发生聚并。主要系统性地分析了连续相粘度,连续相流速Q_c和两相流速比R(Q_c/Q_d)对椭球状液滴长短轴尺寸的影响,发现长轴(LA)尺寸与Q_c近似线性相关,与R近似指数相关,最终拟合得到同时关于Q_c和R的尺寸预测公式。而短轴(SA)尺寸几乎不随Q_c和R变化。随着连续相粘度的增大,液滴尺寸减小,椭球状液滴在较低Q_c下更早地转变成球状,不过各粘度下液滴的长短轴尺寸随Q_c和R的整体变化趋势基本一致。此外,根据液滴的尺寸分布情况,进一步推测了连续相粘度,表面氧化膜和金属液滴稳定性间的关系。随后,在单T型通道的基础上进行改进,在双T型通道中进行金属液滴的分断实验,研究了外相流速Q_o和上游母液滴尺寸对子液滴个数和球状子液滴尺寸的影响。发现随着子液滴个数的增加,球状子液滴尺寸同Q_o间呈幂律关系,拟合出的子液滴尺寸预测公式与聚焦流通道中水油液滴的分断结果相近。综上,无论是液滴的生成还是分断,本文设计的两款微流体芯片对金属液滴流变行为的控制能力及其尺寸分布都较理想。
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