從COMSOL開始探究微流控和親疏水浸潤性

微流控是一門涉及化學(xué)、流體力學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的新興交叉學(xué)科。微流控技術(shù)在生物檢測、化學(xué)分析和乳液合成等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。

微流控器件的設(shè)計(jì)過程中往往涉及到對多個物理過程的理解，包括流體在特定通道內(nèi)的流場分布、不混溶兩相流體的流動的控制、溶質(zhì)在微流控通道內(nèi)的輸運(yùn)和擴(kuò)散、以及流體在電場、光場或聲場這類外場作用下的響應(yīng)。理解這些物理因素的相互作用是設(shè)計(jì)微流控器件的關(guān)鍵。

另一方面由于微流控芯片的制備往往需要用到微納加工工藝，使得制備一套微流控設(shè)備要花費(fèi)很多時間和精力。所以在實(shí)驗(yàn)上制備微流控器件之前，先通過理論上建模仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是提高科研效率的必要途徑。

COMSOL Multiphysics是一款非常靈活易用的有限元模擬軟件，能夠非常方便的模擬微流體領(lǐng)域的各種物理問題。目前微流控領(lǐng)域以及液滴親疏水浸潤性方面幾個熱點(diǎn)研究方向我們都能通過 COMSOL Multiphysics 進(jìn)行仿真模擬。

1.渦流形成和雷諾系數(shù)的關(guān)系

雷諾系數(shù)（Re）的大小代表了流體慣性作用和粘度作用的比例。在微流體通道結(jié)構(gòu)不變的情況下，流體流速增大，雷諾系數(shù)相應(yīng)增大。通過流體力學(xué)模擬我們能準(zhǔn)確預(yù)測在一定雷諾系數(shù)下渦流形成的形貌。通過理論模擬能幫助我們設(shè)計(jì)和優(yōu)化微流控通道的結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期目的，例如圖中這篇2013年的NatureCommunications 就計(jì)算了不同雷諾系數(shù)下的渦流形成。

2.電滲流以及物質(zhì)在微流通道內(nèi)的擴(kuò)散

由于微流控器件尺度較小，使用外加電場的方式操控流體運(yùn)動是目前主要的方法。其中電滲（Electroosmosis）是一種常用方法，外加電場施加在一個帶電荷的表面（玻璃毛細(xì)管的內(nèi)壁）或者多孔的固體介質(zhì)的兩端，驅(qū)動通道內(nèi)的溶液以某一固定的速度流動。流動速度與壁表面電位和外加電場強(qiáng)度有關(guān)。COMSOL Multiphysics 內(nèi)置了電滲流邊界條件，可以非常方便的模擬電滲流問題。以下案例分析了一個U型電滲流器件中的溶質(zhì)輸運(yùn)和擴(kuò)散，使用模擬計(jì)算進(jìn)行流體通道拐彎處幾何優(yōu)化，可以將彎曲引起的溶質(zhì)彌散降至最低程度。

3.介電泳

介電泳（Dielectrophoresis）是在外加電場作用下，由于懸浮顆粒與溶劑之間介電常數(shù)差異造成的作用力。介電泳作用力會將介電常數(shù)小于溶劑的顆粒拉往電場強(qiáng)度較低的地方。另外介電泳力的大小還與顆粒半徑有關(guān)，所以介電泳常被用來分離大小不同的顆粒或細(xì)胞。設(shè)計(jì)介電泳器件，需要控制電場分布、流場，還要計(jì)算不同顆粒在器件中的運(yùn)動軌跡。這是涉及多個物理過程的復(fù)雜問題，但通過COMSOL Multiphysics 建模計(jì)算能完全模擬介電泳器件，幫助我們設(shè)計(jì)優(yōu)化高效的介電泳器件。

4.兩相流

T型管利用兩種不互溶液體來產(chǎn)生各種大小的微液滴，但液滴形成的大小和兩個入口的流速，表面張力都有關(guān)系。利用兩相流模擬方法能夠準(zhǔn)確模擬T型管中液滴的形成過程，還可以研究流體流動和添加劑化學(xué)品等因素，了解它們?nèi)绾斡绊懸旱未笮〖靶纬伞?/p>

5.各種親疏水和浸潤性現(xiàn)象

在固體表面親疏水性和液滴表面張力作用下，液滴會發(fā)生各種不同的浸潤性現(xiàn)象。許多動態(tài)的液滴的浸潤現(xiàn)象都非?？欤枰咚贁z像機(jī)才能捕捉。但另一方面，我們也可以COMSOL在理論上通過模擬計(jì)算得到液滴的運(yùn)動過程。

6.電浸潤

電浸潤就是通過外加電場操控液滴在固體表面的接觸角。在一個原本疏水的表面，液滴具有較大的接觸角，當(dāng)施加一定的電壓能使接觸角變小。通過電極的設(shè)計(jì)和不對稱施加電場，就能定向操控液滴的運(yùn)動。電浸潤的另一種應(yīng)用場景是制作變焦透鏡，通過電壓調(diào)節(jié)液滴表面的曲率實(shí)現(xiàn)透鏡曲率的調(diào)節(jié)。

7.馬蘭格尼效應(yīng)

馬蘭格尼（Marangoni）效應(yīng)是液體表面張力梯度引起的流體運(yùn)動，液滴蒸發(fā)過程中的馬蘭格尼效應(yīng)是非常經(jīng)典的流體力學(xué)研究領(lǐng)域。液滴蒸發(fā)過程中一種馬蘭格尼效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理是這樣的：蒸發(fā)蒸發(fā)產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)會使液滴表面溫度降低，液滴表面不同位置蒸發(fā)速率不同，導(dǎo)致了表面溫度不同，溫度梯度造成了表面張力的梯度進(jìn)而形成馬蘭格尼效應(yīng)。通過COMSOL Multiphysics 建模能同時計(jì)算蒸發(fā)、傳熱和表面張力梯度引起的流體流動。

總結(jié)

在微流控和親疏水浸潤性領(lǐng)域，許多過程都能進(jìn)行仿真模擬，通過模擬能幫助優(yōu)化器件設(shè)計(jì)，幫助我們分析和理解各種物理過程，提高科研效率，有助于創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)科研成果。