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液體蒸發誘導自驅動微渦流及其應用
流場形貌的控制一直是微流控領域一個重要的基礎問題。其中，渦流的構造和應用最為吸引研究人員的注意。在微流體通道中構造渦流的一種有效的方法是在其中引入一些障礙物或設計特殊幾何結構的流道。當流動的雷諾數（Re）達到較高值（Re>20）時，就會形成渦流。但這些渦不會在低雷諾數流動區域（Re<1，稱為Stokes流或蠕動流）中形成。然而，在微通道中實現高雷諾數需要非常高的流速。對于一些重要的應用，如產生局部溶解，流體混合物和化學反應，需要一個相對較低的速度，大多數微流控應用中的流動都是屬于蠕動流。因此，在蠕動流中建立渦流場仍具有挑戰，并且具有重要意義。
近日，國內研究團隊提出了一種利用馬蘭格尼（Marangoni）效應實現蠕動流下構造微米級渦流的方法。馬蘭格尼效應是由水-空氣界面的表面張力梯度引起的，能夠在流體表面產生作用力。在這種表面力作用下，在蠕動流區域可以產生旋渦流。該工作通過微結構操縱馬蘭格尼流提供一個蒸發誘導的自驅動渦流系統。其中馬蘭格尼流是由表面活性劑溶液的不均勻蒸發形成的。不均勻的蒸發在液體表面形成不均勻的表面活性劑濃度分布，從而形成馬蘭格尼流。在實驗中，表面活性劑溶液被夾在微結構硅襯底和玻璃蓋之間。因此，流體被限制在準二維空間中形成一個薄層，流體界面變得狹長，在這種情況下，馬蘭格尼流表現為一種淺層表面流動行為。隨著表面活性劑濃度的增加，馬蘭格尼流的對流距離隨之增大。在長距離對流的基礎上，通過微結構折疊流體界面形成一些特定的形狀，就能將表面流轉化為渦旋流。旋渦的形態取決于流體界面的形狀和流體中的微觀結構,利用數值仿真模擬可以精確地預測結構中渦流模式。利用這種渦流一方面可以在微米尺度旋轉微型物體，另一方面實現了具有粒徑篩選功能的微米顆粒的輸運和富集，能夠將顆粒富集在渦流之中。這種渦流構造方法有望在微流控領域中得到廣泛的應用。
