Small:基于微孔道内表面设计的微尺度流体控制

在微流控芯片研究领域,微流控芯片所涉及的进样、混合、反应、分离、检测等过程,都是在可控流体的运动中完成,因此微尺度流体控制是微流控芯片操作过程的核心。设计具有适当功能的微孔道,使流体在微孔道内按一定的方式流动,就可以从整体上实现特定的功能。因此,研究微孔道中流体的流动行为,发展相应的微流体驱动与控制技术,对实现微流控器件各种功能和应用具有重要意义。微尺度孔道中的流体的流动行为主要受流体与孔道内表面之间形成的界面性质的控制。因此,微孔道内表面设计对微尺度流体行为的调控及实现微流控芯片的各种功能起到非常重要的作用。

近期,厦门大学侯旭教授课题组应邀撰写了题为“Inner Surface Design of Functional Microchannels for Microscale Flow Control”的综述论文,全面总结了基于微孔道内表面设计的微尺度流体控制方面的研究进展。该论文最近在线发表在Small上(DOI: 10.1002/smll.201905318)。

根据修饰微孔道内表面的功能层的相态,微孔道表面设计可以分为固体表面设计和液体表面设计。随着微-/纳米加工技术和材料科学的迅速蓬勃发展,研究人员已经发展了多种物理化学修饰方法来精确调控孔道内表面的性质。固体表面设计包括表面化学修饰和表面微-/纳米结构的构筑。该文首先列举了如何通过结合单分子层自组装技术、等离子体技术等表面化学修饰方法和表面图案化技术实现微孔道表面的选择性化学修饰,以及如何通过先进的微-/纳加工技术等实现微孔道表面上微-/纳米结构的构筑。同时该文对液体在微孔道各表面受到的固-液界面作用力进行分析,探讨了固体表面设计如何影响微尺度流体行为。最近,研究人员也报道了利用液体作为动态结构材料来设计微孔道内表面,进一步调控微尺度流体的流动行为。在宏观尺度下,液体具有很强的流动性,难以形成一个稳定的结构材料,而在微尺度下,由于液体与界面材料之间的范德华力以及微尺度空间中毛细力作用使液体能稳定地填充在微孔道内部,形成一种动态的功能液体层。全新的液体表面设计使用功能液体修饰微孔道的表面,把传统微孔道表面的固-液界面问题转移到固-液-液界面上。此外,光滑无缺陷的功能液体层,赋予了微通道优异的抗污染和抗溶胀性能。作者还对固体界面设计和液体界面设计的特点和局限性方面进行了对比和总结。随后,该文总结了微孔道内表面设计在微尺度流体传输、混合、分离等行为调控方面的最近进展。通过微孔道内表面设计制备功能微通道,可实现智能,可控的微尺度流体行为调控。在文章最后,作者对基于微孔道内表面设计的微尺度流体控制的未来发展方向进行了展望。作者相信,未来通过更加先进的微-/纳加工技术、印刷技术等,能够更简单有效地实现微流控芯片中的微通道表面功能化设计,并期待通过固-液界面和液-液界面的智能设计,全新的液体界面设计在智能流体控制、药物输送、能量转换等领域带来更多的可能。

论文共同第一作者为厦门大学化学化工学院博士后王树立和硕士研究生杨仙,通讯作者为厦门大学化学化工学院和物理科学于技术学院双聘教授侯旭。该课题得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项(2018YFA0209500),国家自然科学基金(21673197,21621091),厦门大学校长基金(20720190037),福建省杰出青年科学基金项目(2018J06003)和福建省战略性新兴产业专项项目的资助与支持。