Nano Select:利用受约束的界面振动生成并操纵飞升液滴

微液滴的生成和操纵技术,一直是微流控技术领域的核心技术,所有基于离散液滴的微流控操作都离不开液滴生成和液滴操纵。对于液滴生成,根据生成过程中有无额外的能量输入,有主动生成和被动生成两中方式;对于液滴操纵,也可以有声、光、力、热、电、磁等多种操纵机理。虽然目前液滴的生成和操纵机理和技术繁多,但是大部分的液滴生成技术都不具备液滴操纵的能力,而液滴操纵技术又不具备生成液滴的能力,从而需要同时采用两套设备才能分别完成液滴的生成和操纵这两项基本任务。

中国石油大学(华东)先进制造实验室的张彦振课题组针对这一问题,提出利用受约束界面的振动,来同时生成和操控液滴的新方法;通过对振动幅度的调整,可实现液滴生成与液滴操纵之间的快速无缝切换,还可以控制生成液滴的大小和驱动速度。相关结果发表在Nano Select上。

该研究团队发现,通过对喷头的压电驱动元件施加合适的正反两向电压信号,可以将喷头中的液体在喷孔处挤出并吸回,从而实现被喷孔约束的界(表)面振动。当该振动发生在气体环境中时,就只是单纯的表面振动;但如果发生在液体环境中,在周围液体粘性力和惯性力的作用下,界面在回吸过程中会发生大曲率的变形,并生成一个大小远远小于喷孔的小液滴。实验表明,该液滴最小可达喷孔大小的四十分之一,即采用直径40微米的喷孔,即可生成最小直径1微米的液滴。除了喷孔大小,液滴的大小还可以通过会吸速度、振动幅度、界面张力、液体粘度等参数进行调节。在液体环境中,该振动不仅可以生成液滴,还可以对周围液体生成推动和回拉作用,连续的振动可令周围的液体形成局部的定向流场;该流场对所生成的液滴具有定向驱动作用。研究发现当振动幅度小于某一临界值时,该振动只能令周围液体形成定向流场,而不能生成液滴。所以,利用该特性,可以实现液滴生成与液滴操纵之间的快速无缝切换。该技术仅仅利用受约束界面的振动,即可同时实现飞升量级液滴的按需生成和精确操纵,对于简化当前的微流控系统,具有重要意义。