CN110479394B - 一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，包括如下步骤：具有至少一个微尺度的由软物质制成的管状结构；在管状结构中，管内流动液体Ⅰ，管内壁的表面张力记为γ1；整个管状结构浸泡在液体Ⅱ或液体Ⅲ或液体Ⅳ中，管外壁的表面张力相应的分别记为γ2，γ3，γ4，且γ2<γ3<γ4；管内外的液体相互独立；令管外液体初始为液体Ⅲ，管内液体始终为液体Ⅰ；则更换管外液体使液体Ⅰ的流速发生变化。本发明操作步骤简单，将其应用到具体微流阀结构的设计中，可使微流阀的结构大为简化，实现微流器件的微型化和易集成。

Description

一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法
技术领域
本发明涉及一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，属于微流体控制技术领域。
背景技术
毫米、微米、纳米尺度下控制、操作和检测复杂流体的技术，已广泛应用于集成电子、精密仪器、医疗设备和生物制药等领域。这里，毫米、微米、纳米尺度统称微尺度。
微流阀被应用于很多微尺度流体系统中。微流阀的主要作用是调节微流体的流量和流向。根据有无外部激励方式，现有的微流阀分为有源阀和无源阀。而它们各有自己的特点和利弊：有源阀所采用的方法多是基于气动力、磁力和机械压力，制造微尺度的有源阀涉及微尺度的制造，技术要求较高；无源阀对微流体的调节方法基于微流体本身的流向和压力的变化。
发明内容
基于上述现有技术，本发明提供一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，该方法操作步骤简单，将其应用到具体微流阀结构的设计中，可使微流阀的结构大为简化，实现微流器件的微型化和易集成。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括如下步骤：具有至少一个微尺度的由软物质制成的管状结构；在管状结构中，管内流动液体Ⅰ，管内壁的表面张力记为γ1；整个管状结构浸泡在液体Ⅱ或液体Ⅲ或液体Ⅳ中，管外壁的表面张力相应的分别记γ2，γ3，γ4，且γ2<γ3<γ4；管内外的液体相互独立；令管外液体初始为液体Ⅲ，管内液体始终为液体Ⅰ；则当管外液体由液体Ⅲ换为液体Ⅱ，其它条件不变时，减小的表面张力使管子的横截面呈张开趋势，从而导致液体Ⅰ的流速发生变化；当管外液体由液体Ⅱ换回液体Ⅲ时，其它条件不变，增大的表面张力使管子的横截面恢复到初始状态，液体Ⅰ的流速恢复到初始流速；当管外液体由液体Ⅲ换为液体Ⅳ，其它条件不变时，增大的表面张力使管子的横截面呈闭合趋势，导致液体Ⅰ的流速发生变化；当管外液体由液体Ⅳ换回液体Ⅲ时，其它条件不变，减小的表面张力使管子的横截面恢复到初始状态，液体Ⅰ的流速恢复到初始流速。
相比现有技术，本发明的一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，基于浸泡在不同液体且内部流动液体的微尺度由软物质材料制成的管状结构实现的微通道中流体速度的方法，既适用于一个微通道中的流体，也适用于多个有序或无序排列的微通道中的流体；同时，本发明所涉及的方法操作步骤简单，将其应用到具体微流阀结构的设计中，可使微流阀的结构大为简化，这满足了微流器件微型化、易集成的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例一单个微通道浸于液体Ⅲ中的结构示意图，其中容腔为长方体。
图2是图1A-A处的剖面图，此时的管外液体为液体Ⅱ。
图3是图1A-A处的剖面图，此时的管外液体为液体Ⅳ。
图4是本发明实施例二两个微通道浸于液体Ⅲ中的结构示意图，其中容腔为交叉长方体。
图5是图4A-A处的剖面图，此时的管外液体为液体Ⅱ。
图6是图4A-A处的剖面图，此时的管外液体为液体Ⅳ。
图中，1、容腔，2、微通道，2-1、第一微通道，2-2、第二微通道，3、硝基甲烷，4、20％乙醇溶液，5、第一注射器，6、第二注射器，7、二甲化砚，8、水。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，不需要在微尺度下提供外部激励设备，结构简单，易于实现微型化；相比无源阀，本发明对微流体的控制体现在对微流体通道的直接控制上，无需阀门。
本发明的机理是：固-液接触面具有表面张力，产生的机理与液-气接触面的表面张力类似。这种固-液表面的张力在固体尺寸越小时影响越大，与液-气接触面的毛细现象在液体表面变得越小时越显著类似。以下的表面张力特指固-液接触面的表面张力。一个由琼脂凝胶制成的两端固定的半径约为240μm的实心杆浸泡在丙酮溶液里，由于表面张力的影响会使该实心杆出现Rayleigh-Plateur不稳定现象；内部有半径约为2μm水滴的硅胶制成的块状固体由于表面张力的影响刚度变大。琼脂凝胶和硅胶都为软物质。
在一个微尺度的由软物质制成的管状结构中，管内流动液体Ⅰ，管内壁的表面张力记为γ1；整个管状结构浸泡在液体Ⅱ或液体Ⅲ或液体Ⅳ中，管外壁的表面张力相应的分别记为γ2，γ3，γ4；γ1与γ2,γ3，γ4之间并无必然的大小关系；管内外的液体相互独立。假设γ2<γ3<γ4。管外液体初始为液体Ⅲ，管内液体始终为液体Ⅰ1。由COMSOL Multiphysics软件仿真模拟得出以下结果：
当管外液体由液体Ⅲ换为液体Ⅱ，其它条件不变时，减小的表面张力使管子的横截面呈张开趋势，从而导致液体Ⅰ的流速发生变化；当管外液体由液体Ⅱ换回液体Ⅲ时，其它条件不变，增大的表面张力使管子的横截面恢复到初始状态，液体Ⅰ的流速恢复到初始流速；
当管外液体由液体Ⅲ换为液体Ⅳ，其它条件不变时，增大的表面张力使管子的横截面呈闭合趋势，导致液体Ⅰ的流速发生变化；当管外液体由液体Ⅳ换回液体Ⅲ时，其它条件不变，减小的表面张力使管子的横截面恢复到初始状态，液体Ⅰ的流速恢复到初始流速。
本发明的基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法具有至少一个上述微尺度的由软物质制成的管状结构，所述的管状结构可以为微通道2，微通道2的外部通过容腔1来提供管外液体，微通道2密封固定在容腔1内且其端口位于容腔1上，从而实现管内外液体的独立。另外，本发明既适用于一个微通道2中的流体，也适用于多个有序或无序排列的微通道中的流体；本发明的容腔的形状也可以是任意的。
在图1-3所示的实施例一中，一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，包括如下步骤：
a.制作包含微通道2的系统，该系统包括一个长方体的容腔1和一个微通道2，微通道2置于容腔1中，且两端被固定。容腔1具有连通的第一注射器5和第二注射器6。液体Ⅰ采用硝基甲烷3，液体Ⅱ选用二甲化砚7，液体Ⅲ采用20％乙醇溶液4，液体Ⅳ选用水8。首先通过第一注射器5向容腔1内注入20％乙醇溶液4(即液体Ⅲ)，使微通道2外部完全浸入20％乙醇溶液4(即液体Ⅲ)中，然后使硝基甲烷3(即液体Ⅰ)从容腔1的一端流入微通道2中，然后从容腔1的另一端流出，流速为1μm/s。
通过微制造技术制作微通道2，保证其名义外径(微通道2被制造出来即发生一定程度的直径缩小的现象，此处名义外径指微通道2初始的外部直径)为200nm；名义内径(微通道2初始的内孔直径，下文所述内径默认为微通道2的内孔直径)为320nm；长度2μm。微通道2的材料选用PDMS-聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)。该材料的杨氏模量为2.4Mpa，泊松比约为0.5，为保证该值，对PDMS材料预聚体做如下处理：将质量配比为10:1的PDMS预聚体和固化剂-道康宁184混合均匀，然后将混合液体在25-27℃的温度下交联72小时，最后再将经过初步交联的固化体在80℃下加热2小时，然后冷却到室温。
通过第一注射器5向容腔1内注入20％乙醇溶液4后，微通道2即完全与20％乙醇溶液4接触，20％乙醇溶液4的表面张力γ3＝17.7mN/m，在此表面张力下，微通道2的内径由160nm变为120nm，从而使微通道2内硝基甲烷3(即液体Ⅰ)的流速发生初步变化。
b.当需要微通道2内径继续变小，，从而进一步改变微通道2内硝基甲烷3的流速时，将容腔1内的20％乙醇溶液4更换为水8(即液体Ⅳ)。具体为：首先通过第二注射器6抽出容腔1内的20％乙醇溶液4，然后通过第一注射器5向容腔1内注入水8。水8的表面张力γ4＝41.1mN/m。由COMSOLMultiphysics软件仿真模拟得出：微通道2内部流动硝基甲烷3，外部完全浸入水8中且其他条件不变时，增大的表面张力使微通道2的内径由步骤a中的120nm变为102nm，从而进一步导致微通道2内硝基甲烷3的流速发生变化。
c.当需要改变微通道2内硝基甲烷3的流速时，将容腔1内的水8更换为二甲化砚7(即液体Ⅱ)。具体为：首先通过第二注射器6抽出容腔1内的水8，然后通过第一注射器5向其中注入二甲化砚7。二甲化砚7的表面张力γ2＝8.5mN/m。由COMSOL Multiphysics软件仿真模拟得出：微通道2内部流动硝基甲烷3，外部完全浸入二甲化砚7中且其它条件不变时，减小的表面张力使微通道2的内径由步骤b中的102nm变为130nm，从而改变了微通道2内硝基甲烷3的流速。如果需要恢复步骤a中微通道2内硝基甲烷3的流速，也可以遵循上述步骤将容腔1内的水8更换为20％乙醇溶液4。
d.根据控制微通道2内硝基甲烷3的速度的需要，微通道2外部的液体按b、c步骤更换。
在图4-6所示的另一个实施例二中，本实施例与实施例一基本相同，特别之处仅在于，在本实施例中，上述步骤a中容腔1的几何形状发生了改变，具体为，容腔1的外部形状为两个呈直角交叉的长方体，内部中空且壁厚均匀，用以盛放步骤b所述的20％乙醇溶液4或水8或步骤c中所述的二甲化砚7。同时，本实施例的微通道2为两个，包括在空间上垂直独立的第一微通道2-1和第二微通道2-2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，其特征是，包括如下步骤：
具有至少一个微尺度的由软物质制成的管状结构；
在管状结构中，管内流动液体Ⅰ，管内壁的表面张力记为γ1；整个管状结构浸泡在液体Ⅱ或液体Ⅲ或液体Ⅳ中，管外壁的表面张力相应的分别记为γ2，γ3，γ4，且γ2<γ3<γ4；管内外的液体相互独立；
令管外液体初始为液体Ⅲ，管内液体始终为液体Ⅰ；
则当管外液体由液体Ⅲ换为液体Ⅱ，其它条件不变时，减小的表面张力使管子的横截面呈张开趋势，从而导致液体Ⅰ的流速发生变化；当管外液体由液体Ⅱ换回液体Ⅲ时，其它条件不变，增大的表面张力使管子的横截面恢复到初始状态，液体Ⅰ的流速恢复到初始流速；
当管外液体由液体Ⅲ换为液体Ⅳ，其它条件不变时，增大的表面张力使管子的横截面呈闭合趋势，导致液体Ⅰ的流速发生变化；当管外液体由液体Ⅳ换回液体Ⅲ时，其它条件不变，减小的表面张力使管子的横截面恢复到初始状态，液体Ⅰ的流速恢复到初始流速；
所述的管状结构为微通道（2），微通道（2）的外部通过容腔（1）来提供管外液体，微通道（2）密封固定在容腔（1）内且其端口位于容腔（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，其特征是：所述微通道（2）的名义外径为200 nm，其名义内径为320 nm；其长度为2μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，其特征是：所述的软物质选用PDMS-聚二甲基硅氧烷，该材料的杨氏模量为2.4 MPa,泊松比约为0.5。
4.根据权利要求3所述的一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，其特征是：所述PDMS-聚二甲基硅氧烷的制备方法包括，对PDMS材料预聚体做如下处理：将质量配比为10:1的PDMS预聚体和固化剂-道康宁184混合均匀，然后将混合液体在25-27℃的温度下交联72小时，最后再将经过初步交联的固化体在80℃下加热2小时，然后冷却到室温。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，其特征是：所述的容腔（1）利用注射器进行管外液体的注入和抽出。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，其特征是：所述容腔（1）的外部形状为一个长方体，内部设有一个微通道（2）；或者容腔（1）的外部形状为两个呈直角交叉的长方体，内部中空且壁厚均匀，内部设有两个空间上垂直独立的微通道（2）。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于表面张力机理控制微通道中流体速度的方法，其特征是：所述的液体Ⅰ采用硝基甲烷（3），液体Ⅱ选用二甲化砚（7），液体Ⅲ采用20%乙醇溶液（4），液体Ⅳ选用水（8）。
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