CN102895905A - 纳米级流体混合方法及其混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米级流体混合方法，包括如下步骤：1）将需要混合的至少两种液体注满混合流道；2）向混合流道的上下两侧分别注入至少一个气泡；3）驱动气泡和液体相对运动，液体在气泡的带动作用下混合。本发明还公开了一种纳米级流体混合器，包括采用容器和驱动装置，所述容器内设有混合流道，所述混合流道上设有进液口和出气口，且所述进液口和出气口分别设置在混合流道的上下两侧；所述驱动装置包括用于驱动所述容器做旋转运动或往复运动的驱动机构。该纳米级流体混合方法能够有效加快液体在纳米级微观条件下的混合速率，提高混合效率。

Description

纳米级流体混合方法及其混合器
技术领域
本发明涉及一种液体体积为纳米级条件下的混合方法以及适用于该方法的纳米级流体混合器。 
背景技术
纳米流动系统现在广泛应用于纳米科技及生物科技中，比如微纳机电系统、DNA及蛋白质的分析、芯片实验室、微量化学反应器等。纳米通道的中流体混合在一些应用中是非常重要的影响因素，比如化学反应器重两种试剂的均匀混合。当雷诺数很低时，压力驱动的流动在简单通道中呈现为层流，此时流体的混合完全依赖于自然扩散。在纳米通道中，自然扩散的混合过程异常缓慢， Peclet数（Pe=Vl/D，式中V为流动速度，l为流道截面的特征长度，D为扩算率）巨大，此时扩散所需要的距离Δy~ U*(l2/D)=Pe*l，Δy随Pe的增大成正比增大。在纳米通道中，Δy会达到cm量级，与纳米通道相比，此值巨大。 
鉴于此，本发明旨在探索一种纳米级流体混合方法以及适用于该方法的纳米级流体混合器，该纳米级流体混合方法能够有效加快液体在纳米级微观条件下的混合速率，提高混合效率。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种纳米级流体混合方法及其混合器，该纳米级流体混合方法能够有效加快液体在纳米级微观条件下的混合速率，提高混合效率。 
要实现上述技术目的，本发明首先提出了一种纳米级流体混合方法，包括如下步骤： 
1）将需要混合的至少两种液体注满混合流道；
2）向混合流道的上下两侧分别注入至少一个气泡；
3）驱动气泡和液体相对运动，液体在气泡的带动作用下混合。
进一步，所述混合流道的容积为0.1nm3-1um3。 
进一步，所述混合流道采用混合液体的非亲润物质制成，所述非亲润物质与液体之间的接触角为90°-180°。 
本发明还提出了一种纳米级流体混合器，包括容器和驱动装置，所述容器内设有混合流道，所述混合流道上设有进液口和出气口，且所述进液口和出气口分别设置在混合流道的上下两侧；所述驱动装置包括用于驱动所述容器做旋转运动或往复运动的驱动机构。 
进一步，所述混合流道的深度为1-10nm，所述混合流道的容积为0.1nm3-1um3。 
进一步，所述容器采用混合液体的非亲润物质制成。 
  [0011]进一步，所述混合流道呈环形，所述驱动机构为驱动所述容器做旋转运动的电机。 
进一步，所述混合流道在径向方向上的宽度为3-98nm，所述混合流道中心线的半径为5-100nm。 
进一步，所述混合流道呈直线形，所述驱动机构包括电机和用于驱动所述容器做往复运动的连杆机构。 
进一步，所述连杆机构包括容器座、与电机同步转动的圆盘、与容器座滑动配合的滑轨和一端铰接在所述容器座上另一端偏心铰接在圆盘上的连杆II，所述滑轨的延伸方向位于所述圆盘的径向方向上。 
本发明的有益效果为： 
本发明的纳米级流体混合方法，采用将混合流道注满后注入气泡，在液体表面张力的作用下，当液体和气泡之间发生相对运动时，一部分液体会随着气泡移动，进而导致液体内发生不规则运动，这样的不规则紊乱运动会加快液体之间的混合，使得液体混合速率加快，提高液体混合效率。
本发明的纳米级流体混合器，通过在混合流道的上下两侧分别设置进液口和出气口，可方便在液体注满混合流道后在液体的上下两侧注入气泡，在驱动装置的作用下，驱动容器做转转运动或往复运动，进而使得气泡和液体之间发生相对运动，加快液体混合速率。 
需要说明的是：本文所述的纳米级液体是指液体的体积为纳米级，即液体体积为10-3nm3-1um3。 
附图说明
图1为本发明纳米级流体混合器第一实施例的容器结构示意图； 
图2为图1的A-A截面图；
图3为本发明纳米级流体混合器第二实施例的容器结构示意图；
图4为本实施例纳米级流体混合器的连杆机构示意图；
图5为本发明纳米级流体混合方法中混合流体与混合流道的模拟图；
图6为混合流道壁以Vwall=0.4的速率剪切混合流体运动时各层混合液体的速率分布图；
图7为混合流道壁以Vwall=0.6的速率剪切混合流体运动时各层混合液体的速率分布图；
图8为混合流道壁以Vwall=0.8的速率剪切混合流体运动时各层混合液体的速率分布图；
图9为混合流道壁以Vwall=1.0的速率剪切混合流体运动时各层混合液体的速率分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。 
第一实施例
如图1和图2所示，为本发明纳米级流体混合器第一实施例的容器结构示意图。本实施例的纳米级流体混合器，包括容器1和驱动装置，容器1内设有混合流道2，混合流道2上设有进液口3和出气口4，且进液口3和出气口4分别设置在混合流道2的上下两侧；驱动装置包括用于驱动容器1作旋转运动或往复运动的驱动机构。本实施例的容器1包括流道芯片1a和流道盖片1b，混合流道2设置在流道芯片1a的上表面上，并用流道盖片1b盖住密封，流道盖片1b上设有进液口3，流道芯片1a的下表面上设有出气口4。
本实施例的混合流道2呈环形，驱动机构为驱动容器1做旋转往复运动的电机，混合流道2在径向方向上的宽度为3-98nm，混合流道1中心线的半径为5-100nm。采用该结构的容器1结构简单，能够方便驱动容器1做旋转运动。 
本实施例的混合流道2的深度为1-10nm，混合流道2的容积为0.1nm3-1um3，混合流道2的合适深度能够使得液体的紊乱流动对液体混合的作用更好。 
本实施例的纳米级流体混合器，通过在混合流道2的上下两侧分别设置进液口3和出气口4，可方便在液体注满混合流道2后在液体的上下两侧注入气泡，在驱动装置的作用下，驱动容器1做往复运动，进而使得气泡和液体之间发生相对运动，加快液体混合速率。 
第二实施例
如图3所示，为本发明纳米级流体混合器第二实施例的容器结构示意图。本实施例的纳米级流体混合器，包括容器1和驱动装置，容器1内设有混合流道2，混合流道2上设有进液口3和出气口4，且进液口3和出气口4分别设置在混合流道2的上下两侧；驱动装置包括用于驱动容器1作旋转运动或往复运动的驱动机构。本实施例的容器1包括流道芯片1a和流道盖片1b，混合流道2设置在流道芯片1a的上表面上，并用流道盖片1b盖住密封，流道盖片1b上设有进液口3，流道芯片1a的下表面上设有出气口4。
本实施例的混合流道2呈直线形，驱动机构包括电机和用于驱动容器1做左右往复运动的连杆机构。本实施例的连杆机构包括容器座5、与电机同步转动的圆盘6、与容器座5滑动配合的滑轨7和一端铰接在容器座5上另一端偏心铰接在圆盘6上的连杆8，滑轨7的延伸方向位于圆盘6的径向方向上。通过圆盘6的旋转运动，能够转换为容器座5的往复直线运动。 
下面结合第一实施例的纳米级流体混合器对本发明的纳米级流体混合进行详细说明。 
本实施例的纳米级流体混合方法，包括如下步骤： 
1）将需要混合的至少两种液体注满混合流道2，防止由于混合流道2内的空气太多形不成气泡，混合流道的容积为0.1nm3-1um3；
2）向混合流道2的上下两侧分别注入至少一个气泡，在实际操作过程中，可以从上侧的进液口3向混合流道2注入气泡，并从下侧的出气口4向混合流道2注入气泡，并保证混合液体的上下两侧分别至少有一个气泡；
3）驱动气泡和液体相对运动，液体在气泡的带动作用下混合，当混合流道2为环形时，可直接采用电机驱动容器1做旋转运动，旋转1-10圈即可完成液体之间的均匀混合。
进一步，混合流道2采用混合液体的非亲润物质制成，非亲润物质与液体之间的接触角为90°-180°，每一种液体的非亲润物质均各不相同，当需要多种液体混合时，应当选取这些混合液体共同的非亲润物质来制作混合流道。采用液体的非亲润物质制作的混合流道2，能够防止气泡悬浮在液体中，保证气泡位于与混合流道2始终保持接触。 
具体的，当混合流道2的容积为0.1nm3，且驱动装置驱动容器1旋转10圈，液体之间能够混合均匀；当混合流道2的容积为1nm3，且驱动装置驱动容器1旋转8圈，液体之间能够混合均匀；当混合流道2的容积为100nm3，且驱动装置驱动容器1旋转4圈，液体之间能够混合均匀；当混合流道2的容积为1um3，且驱动装置驱动容器1旋转1圈，液体之间能够混合均匀。即混合液体的体积越到，所需要转动的圈数可以减少。 
本实施例的纳米级流体混合方法，采用将混合流道2注满后注入气泡，在液体表面张力的作用下，当液体和气泡之间发生相对运动时，一部分液体会随着气泡移动，进而导致液体内发生不规则运动，这样的不规则紊乱运动会加快液体之间的混合，使得液体混合速率加快，提高液体混合效率。 
下面对本发明纳米级流体混合方法的混合原理进行分析说明。 
如图5所示，为本发明纳米级流体混合方法中混合流体与混合流道的模拟图。由于混合流道采用混合液体的非亲润物质制成，气泡会产生于混合流道壁上。将混合流道在上下两流道壁之间均分为20层，设定上层混合流道壁以Vwall的速率剪切混合流体运动，测得的各层混合流体的宏观速度由图6-9所示，图中还示出了没有气泡时，流道壁在相同的条件对混合液体的剪切运动对各层混合液体的影响。通过对比可知，纳米气泡间吸引力的存在加快了静止一侧混合流道壁附近流体的流动速度，同时减缓了靠近运动一侧混合流道壁附近流体的速度；其次可以发现，具有气泡时各层宏观流动速度是非线性的，表明纳维-斯托克斯方程在此不再适用，气泡的存在搅乱了混合液体内部流场，所以混合流道的气泡能应用于促进纳米级流体在纳米尺度的混合。 
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (10)

1.一种纳米级流体混合方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）将需要混合的至少两种液体注满混合流道；
2）向混合流道的上下两侧分别注入至少一个气泡；
3）驱动气泡和液体相对运动，液体在气泡的带动作用下混合。
2.根据权利要求1所述的纳米级流体混合方法，其特征在于：所述混合流道的容积为0.1nm3-1um3。
3.根据权利要求1所述的纳米级流体混合方法，其特征在于：所述混合流道采用混合液体的非亲润物质制成，所述非亲润物质与液体之间的接触角为90°-180°。
4.一种适用于如权利要求1-3任一项所述纳米级流体混合方法的纳米级流体混合器，其特征在于：包括采用容器和驱动装置，所述容器内设有混合流道，所述混合流道上设有进液口和出气口，且所述进液口和出气口分别设置在混合流道的上下两侧；所述驱动装置包括用于驱动所述容器做旋转运动或往复运动的驱动机构。
5.根据权利要求4所述的纳米级流体混合器，其特征在于：所述混合流道的深度为1-10nm，所述混合流道的容积为0.1nm3-1um3。
6.根据权利要求5所述的纳米级流体混合器，其特征在于：所述容器采用混合液体的非亲润物质制成。
7.根据权利要求6所述的纳米级流体混合器，其特征在于：所述混合流道呈环形，所述驱动机构为驱动所述容器做旋转运动的电机。
8.根据权利要求7所述的纳米级流体混合器，其特征在于：所述混合流道在径向方向上的宽度为3-98nm，所述混合流道中心线的半径为5-100nm。
9.根据权利要求6所述的纳米级流体混合器，其特征在于：所述混合流道呈直线形，所述驱动机构包括电机和用于驱动所述容器做往复运动的连杆机构。
10.根据权利要求9所述的纳米级流体混合器，其特征在于：所述连杆机构包括容器座、与电机同步转动的圆盘、与容器座滑动配合的滑轨和一端铰接在所述容器座上另一端偏心铰接在圆盘上的连杆II，所述滑轨的延伸方向位于所述圆盘的径向方向上。
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