非球形顆粒與球形顆粒在各方面有何不同？

微納尺度顆粒（包括細(xì)胞、細(xì)菌、人工合成微納顆粒、生物大分子等）的分離與富集在生物、醫(yī)學(xué)、材料和環(huán)境等領(lǐng)域有著至關(guān)重要的應(yīng)用。慣性微流控是近幾年能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒高通量精確操控的一種新穎微流控方法，現(xiàn)有相關(guān)研究主要針對(duì)球形顆粒，而實(shí)際生物工程應(yīng)用中所需要處理的顆粒普遍是非球形的，包括盤狀紅細(xì)胞、柱狀大腸桿菌、橢球狀眼蟲藻等。當(dāng)前，非球形顆粒的相關(guān)研究較為缺乏，研究者們一般通過選取等效直徑以便將非球形顆粒問題簡(jiǎn)化為球形顆粒問題。

近期，中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡國慶團(tuán)隊(duì)在非球形顆粒的慣性遷移研究方面取得進(jìn)展。研究人員通過三維直接數(shù)值模擬，研究了柱狀顆粒和盤狀顆粒在矩形微通道內(nèi)的慣性遷移特性，探討了柱狀顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)行為及受力變化，系統(tǒng)地考察了通道雷諾數(shù)、通道寬高比、顆粒阻塞比、顆粒長細(xì)比等參數(shù)對(duì)柱狀顆粒平衡位置的影響，并與球形顆粒進(jìn)行了對(duì)比。

通過研究柱狀顆粒表面應(yīng)力隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，發(fā)現(xiàn)顆粒近壁端所受應(yīng)力主導(dǎo)其轉(zhuǎn)動(dòng)行為；通過分析不同通道雷諾數(shù)下柱狀顆粒在兩種通道內(nèi)所受慣性升力分布，發(fā)現(xiàn)在方通道內(nèi)始終存在四個(gè)穩(wěn)定平衡位置，而在矩形通道內(nèi)穩(wěn)定平衡位置則隨雷諾數(shù)增大逐漸由兩個(gè)變?yōu)樗膫€(gè)；通過對(duì)比不同情況下柱狀顆粒與球形顆粒的平衡位置，發(fā)現(xiàn)柱狀顆粒等效直徑隨雷諾數(shù)增大而增大。

研究將加深對(duì)柱狀顆粒微尺度慣性遷移機(jī)制的理解，為非球形顆粒的高通量精確操控提供理論指導(dǎo)。上述研究成果發(fā)表在Physics of Fluids上（J. Su， X. Chen， and G. Hu， 2018， 30， 032007），并獲得編輯精選（Editor‘s picks）在首頁進(jìn)行展示，相關(guān)工作獲得了國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目和中科院B類先導(dǎo)項(xiàng)目的支持。

顆粒表面應(yīng)力分布隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化規(guī)律