微流控芯片（lab-on-a chip）技術(shù)及微流控器件是近年來發(fā)展迅速的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)方法，微流控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微量多相流體的精確操控，可應(yīng)用于先進(jìn)材料合成、化學(xué)分析、蛋白質(zhì)結(jié)晶、單細(xì)胞培育及檢測(cè)、信息處理等領(lǐng)域?；谝旱位蛘邭馀莸亩嘞辔⒘骺厥墙陙砦⒘骺丶夹g(shù)中快速發(fā)展的最重要分支之一。微尺度液滴長(zhǎng)久以來在石油開采、食品添加、制藥、化妝品、化學(xué)反應(yīng)催化等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。實(shí)際應(yīng)用中，每一個(gè)液滴均可視為獨(dú)立的微反應(yīng)器，其反應(yīng)具有更快的傳質(zhì)傳熱效率，能大大減少昂貴試劑的消耗。同時(shí)液滴與液滴之間相互獨(dú)立，避免了交叉污染。因此如何在微通道中實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)液滴的精確操縱具有重要的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用前景，而對(duì)于微流液滴在不同外加作用（如外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、溫度場(chǎng)和光場(chǎng)等）下的流動(dòng)機(jī)理及動(dòng)態(tài)行為的研究是實(shí)現(xiàn)對(duì)微液滴物理化學(xué)特性精確操控的重要前提。

       湍流與復(fù)雜流體實(shí)驗(yàn)室碩士研究生郭偉，在郗恒東教授和澳大利亞格里菲斯大學(xué)陳世華博士合作指導(dǎo)下針對(duì)微流控芯片中微液滴在交流電場(chǎng)作用下的變形開展了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。首先通過典型的交叉流動(dòng)（T-junction）方法在PDMS微流裝置中產(chǎn)生半徑約為50微米的water-in–oil型微液滴，并通過控制連續(xù)相（mineral oil）和離散相（DI water）的流速來控制微液滴的大小。在給定流速下，通過改變施加在電極上的正弦交流電的幅值與頻率，產(chǎn)生不同的電場(chǎng)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于給定流速的微液滴，其在電場(chǎng)中的變形隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于某個(gè)臨界值時(shí)，液滴的變形基本上與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成線性關(guān)系，且不受交流電場(chǎng)頻率的影響。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于該臨界值時(shí)，交流電場(chǎng)頻率對(duì)液滴變形的影響開始顯著：在給定的電場(chǎng)強(qiáng)度下，電場(chǎng)頻率越高，液滴變形越大。為此他們分析了該現(xiàn)象背后的物理機(jī)制，構(gòu)造了等效電路模型來解釋該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)果表明等效電路模型能有效地描述給定流速的微液滴在交流電場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)行為。

       該研究組對(duì)不同流速和流量比（連續(xù)相流速比離散相流速）下的液滴變形進(jìn)行了研究。將交流電場(chǎng)的頻率保持在50 kHz, 改變實(shí)驗(yàn)的流量比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在給定電場(chǎng)強(qiáng)度與頻率下，大流量比產(chǎn)生的微液滴具有較小的變形。他們通過機(jī)理分析得出液滴變形的大小主要取決于作用在微液滴上的介電力與粘性力的相互作用，對(duì)于給定的電場(chǎng)條件，不同流量比產(chǎn)生的微液滴受到的介電力大致相同，而大流量比產(chǎn)生的微液滴受到粘性力的作用更大，二者的綜合作用使得液滴變形隨流量比的增大而減小。最后基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，通過向電極施加經(jīng)方波調(diào)幅調(diào)制的正弦信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微液滴周期性形變的精確控制，該結(jié)果可用來實(shí)現(xiàn)微液滴內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)的快速混合中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

      該項(xiàng)研究成果已經(jīng)在線發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Lab on a Chip》上。