小小的微流控在化學和制藥行業(yè)開辟了廣闊的應用前景，允許創(chuàng)建“芯片實驗室”平臺以進行實驗和藥物開發(fā)。但是，當科學家們以越來越小的長度和時間尺度來審視這些過程時，在比人的頭發(fā)還細地多的微通道內(nèi)快速有效地混合不同的流體就變得異常棘手。這一問題的存在使得該平臺很難深入應用于化學工程某些潛在富有成效、高反應率的前沿研究領域。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，如今，來自俄羅斯和捷克的研究人員團隊通過數(shù)值實驗提出了可行的解決方案：利用納米粒子和光的輻射壓創(chuàng)建一個“納米混合器”，可以加快通道中原本緩慢擴散的混合速度。研究人員的計算結果表面，所提出的納米混合器可以以比其他在芯片實驗室平臺上混合方法小一個數(shù)量級的長度尺度運行。研究團隊認為，該系統(tǒng)不僅可以在很短的長度和時間范圍內(nèi)混合芯片上的試劑，還可以作為根據(jù)尺寸對某些納米粒子進行分類的系統(tǒng)。

來自俄羅斯和捷克的科學家團隊提出了使用硅納米立方體天線的方案，懸浮的金納米粒子和入射的圓偏振光在微通道內(nèi)混合流體（上圖）和徑向分選的納米粒子（下圖）。

混合問題

在微通道中混合不同物質(zhì)的困難主要源于基本的流體動力學。推動流體通過極其狹窄的通道（如微流體通道）意味著層流、片狀流動和非常低的雷諾數(shù)。換言之，意味著粘性力趨于主導，混合將主要通過擴散以超慢的速率進行。

微流控領域已經(jīng)提出了多種主動混合的方法，以減少所謂的混合長度，從而提高實驗的反應速率。這些方案包括使用超聲波、電流體動力學和磁流體動力學系統(tǒng)來稍微搖晃流體，從而在微通道內(nèi)更快地混合流體。

激光攜帶的輻射壓大到足以移動微米級顆粒，也被用于在微通道中制造局部混合碗。例如，像貝塞爾光束這樣可以同時具有線性和角動量的成形光束，可以直接用于創(chuàng)建微小的光學渦流，它可以攪動通道中的顆粒，從而產(chǎn)生能夠增強流體混合的微漩渦。

變得更小、更快

然而，即便是這些方法也只能在光波長范圍內(nèi)操作。理想狀況下，化學家們希望能夠在更小長度尺度的芯片上實現(xiàn)局部流體混合，這將使實驗以更快的反應速度進行。

為了實現(xiàn)目標，由俄羅斯圣光機大學（ITMO University）Alexander Shalin領導的新研究團隊使用計算機來模擬可以在微通道中以納米尺度運行的潛在混合方案。他們的模擬系統(tǒng)基于新興領域——全介電納米光子學。他們尤其專注于使用所謂的Mie共振來局部增強和散射介電納米粒子周圍亞波長尺度的光場，就像等離子共振可以增強金屬納米粒子周圍的電場一樣。

在俄羅斯和捷克團隊的方案中，微通道底部每側(cè)被放置了約200 nm的硅立方，其中包含要混合的試劑和半徑約40 nm的懸浮化學惰性金納米粒子。然后將圓偏振的綠色激光束照射到納米立方體上。

電場力的數(shù)值模擬

用作電介質(zhì)納米天線的立方體將圓偏振入射光的部分自旋角動量轉(zhuǎn)換為散射光場中的軌道角動量。散射光在周圍流體中形成一個光學渦流場，輻射壓力推動懸浮的金納米粒子前進，使它們在內(nèi)部旋轉(zhuǎn)并混合流體。

在團隊的設置中，將納米立方體充當天線，將入射光的部分自旋角動量轉(zhuǎn)換為散射場中的軌道角動量，從而產(chǎn)生光學渦旋。此圖顯示了數(shù)值實驗中散射坡印亭矢量（Poynting vector）橫向分量的方向和相對大小。

亞波長混合尺度

該團隊的模擬表明，這種裝置中的小型混合碗直徑只有幾百納米，大約是照明波長的一半。這比使用貝塞爾光束直接產(chǎn)生相同類型的混合時所達到的長度尺度小一個數(shù)量級。

通過翻轉(zhuǎn)入射光中的圓偏振傳感，可以快速反轉(zhuǎn)混合方向。此外，介電立方體天線還可以用作一種納米級“分選帽”，以直接在微流控芯片內(nèi)部分離不同大小的金納米粒子。

目前為止，這些功能只能在計算機模擬中實現(xiàn)，該小組正在研究如何在物理實驗中實現(xiàn)所提出的概念方案。一旦付諸現(xiàn)實，科學家們相信使用當前的微流控芯片生產(chǎn)工藝即可輕松實現(xiàn)該方案，有望在很短的長度和時間尺度內(nèi)為微流控領域開辟令人興奮的前景，例如光控制的混合，甚至是芯片上的定向流體導航。

除了來自圣光機大學的研究人員，該研究還包括來自俄羅斯科學院（Russian Academy of Sciences）、圣彼得堡國立電工大學（Electrotechnical University）、俄羅斯COMSOL有限責任公司和捷克科學院（Czech Academy of Sciences）的科學家們。

原文標題：Nanovortex‐Driven All‐Dielectric Optical Diffusion Boosting and Sorting Concept for Lab‐on‐a‐Chip Platforms

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.201903049

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