入门微流控和亲疏水浸润性研究,从COMSOL开始-汶颢股份
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入门微流控和亲疏水浸润性研究,从COMSOL开始

微流控是一门涉及化学、流体力学、材料科学和生物医学的新兴交叉学科。微流控技术在生物检测、化学分析和乳液合成等领域都有很好的应用前景。

微流控器件的设计过程中往往涉及到对多个物理过程的理解,包括流体在特定通道内的流场分布、不混溶两相流体的流动的控制、溶质在微流控通道内的输运和扩散、以及流体在电场、光场或声场这类外场作用下的响应。理解这些物理因素的相互作用是设计微流控器件的关键。 

另一方面由于微流控芯片的制备往往需要用到微纳加工工艺,使得制备一套微流控设备要花费很多时间和精力。所以在实验上制备微流控器件之前,先通过理论上建模仿真优化设计方案是提高科研效率的必要途径。 

COMSOL Multiphysics是一款非常灵活易用的有限元模拟软件,能够非常方便的模拟微流体领域的各种物理问题。目前微流控领域以及液滴亲疏水浸润性方面几个热点研究方向我们都能通过 COMSOL Multiphysics 进行仿真模拟。

1. 涡流形成和雷诺系数的关系

雷诺系数(Re)的大小代表了流体惯性作用和粘度作用的比例。在微流体通道结构不变的情况下,流体流速增大,雷诺系数相应增大。通过流体力学模拟我们能准确预测在一定雷诺系数下涡流形成的形貌。通过理论模拟能帮助我们设计和优化微流控通道的结构达到预期目的,例如图中这篇2013年的NatureCommunications 就计算了不同雷诺系数下的涡流形成。

 涡流形成和雷诺系数的关系 

 涡流形成和雷诺系数的关系 

2. 电渗流以及物质在微流通道内的扩散

由于微流控器件尺度较小,使用外加电场的方式操控流体运动是目前主要的方法。其中电渗(Electroosmosis)是一种常用方法,外加电场施加在一个带电荷的表面(玻璃毛细管的内壁)或者多孔的固体介质的两端,驱动通道内的溶液以某一固定的速度流动。流动速度与壁表面电位和外加电场强度有关。COMSOL Multiphysics 内置了电渗流边界条件,可以非常方便的模拟电渗流问题。以下案例分析了一个U型电渗流器件中的溶质输运和扩散,使用模拟计算进行流体通道拐弯处几何优化,可以将弯曲引起的溶质弥散降至最低程度。

电渗流以及物质在微流通道内的扩散 

3. 介电泳

介电泳(Dielectrophoresis)是在外加电场作用下,由于悬浮颗粒与溶剂之间介电常数差异造成的作用力。介电泳作用力会将介电常数小于溶剂的颗粒拉往电场强度较低的地方。另外介电泳力的大小还与颗粒半径有关,所以介电泳常被用来分离大小不同的颗粒或细胞。设计介电泳器件,需要控制电场分布、流场,还要计算不同颗粒在器件中的运动轨迹。这是涉及多个物理过程的复杂问题,但通过COMSOL Multiphysics 建模计算能完全模拟介电泳器件,帮助我们设计优化高效的介电泳器件。

 介电泳 

4. 两相流

T型管利用两种不互溶液体来产生各种大小的微液滴,但液滴形成的大小和两个入口的流速,表面张力都有关系。利用两相流模拟方法能够准确模拟T型管中液滴的形成过程,还可以研究流体流动和添加剂化学品等因素,了解它们如何影响液滴大小及形成。 

两相流 

5. 各种亲疏水和浸润性现象

在固体表面亲疏水性和液滴表面张力作用下,液滴会发生各种不同的浸润性现象。许多动态的液滴的浸润现象都非常快,往往需要高速摄像机才能捕捉。但另一方面,我们也可以COMSOL在理论上通过模拟计算得到液滴的运动过程。

各种亲疏水和浸润性现象 

各种亲疏水和浸润性现象 

6. 电浸润

电浸润就是通过外加电场操控液滴在固体表面的接触角。在一个原本疏水的表面,液滴具有较大的接触角,当施加一定的电压能使接触角变小。通过电极的设计和不对称施加电场,就能定向操控液滴的运动。电浸润的另一种应用场景是制作变焦透镜,通过电压调节液滴表面的曲率实现透镜曲率的调节。 

电浸润

电浸润 

7. 马兰格尼效应

马兰格尼(Marangoni)效应是液体表面张力梯度引起的流体运动,液滴蒸发过程中的马兰格尼效应是非常经典的流体力学研究领域。液滴蒸发过程中一种马兰格尼效应产生的机理是这样的:蒸发蒸发产生的吸热效应会使液滴表面温度降低,液滴表面不同位置蒸发速率不同,导致了表面温度不同,温度梯度造成了表面张力的梯度进而形成马兰格尼效应。通过COMSOL Multiphysics 建模能同时计算蒸发、传热和表面张力梯度引起的流体流动。 

马兰格尼效应 

总结

在微流控和亲疏水浸润性领域,许多过程都能进行仿真模拟,通过模拟能帮助优化器件设计,帮助我们分析和理解各种物理过程,提高科研效率,有助于创造优质科研成果。

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