CN115445678B - 一种驱动磁流体水平运动的方法、装置及应用 - Google Patents

一种驱动磁流体水平运动的方法、装置及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种驱动磁流体水平运动的方法、装置及应用，所述方法是提供一磁场发生装置和一光源控制装置，取磁流体置于磁场发生装置内，磁场发生装置产生的磁场作用于磁流体使磁流体产生尖峰液滴，光源控制装置提供光源照射在磁流体上，驱动磁流体产生的尖峰液滴发生水平运动。本发明提供的驱动磁流体水平运动的方法和装置可应用在微流体发电和微流体开关上。本发明成功将光场和磁场耦合起来，应用到磁流体的运动操控中，实现了磁流体的非接触式水平旋转操控，打破了现有微流体运动局限于水平方向流动的状况，突破了现有需要通过移动驱动源来控制液体移动的壁垒，拓宽了光控流体技术的应用范围。

Description

一种驱动磁流体水平运动的方法、装置及应用
技术领域
本发明涉及光控微流体运动技术领域和微磁流体运动技术领域，具体涉及一种光场和磁场共同作用驱动磁流体水平运动的方法、装置及应用。
背景技术
精确操控微量液体运动具有广泛的工业应用前景，例如在生物医药器件、微量液体传输、微流体系统等领域。目前，对微量液体运动的控制常依靠微泵、微阀通过电动、机械、液压、气动等手段来实现，然而，这些装置往往存在结构复杂、作用单一、设备制造难度大、成本高昂等问题，此外这些接触式操纵装置极易污染样品。因此，为了克服这些缺点，研究人员使用诸如光、热、电和磁场等外部非接触刺激信号，对液滴进行更加全面、灵活的操纵。
与传统的方法相比，激光由于其优秀的单色性与良好的方向准直性，在微小尺度能达到较高强度等独特的优异性能，其在操控液体流动方面具有独特的优势。利用光学技术来进行流体控制具有很多优异的特点，如无接触无污染、瞬时、定点、精确控制和制造成本较低。用光驱动液体运动依赖两种作用力：光学力和光致毛细作用力。现在有很多学者进行光驱动流体的实验，包括光镊、光致超声驱动流体运动和光电驱动等，但都具有一定的缺陷与不足。光辐射驱动物体运动仅仅局限于纳米级别到微米级别的尺度，因为光子能量很小，所以无法运用到宏观操控上；光致超声能够驱动宏观流体运动，但是不能运用到驱动液滴定向运动与液体表面形变上；光电驱动只能适用于导电溶液。并且这些光控流体技术很少有能驱动液体实现稳定旋转运动。
发明内容
针对上述背景技术中提出的问题，本申请的目的在于提供一种驱动磁流体水平运动的方法、装置及应用，利用光场来操控磁流体尖峰液滴发生宏观上的水平运动，实现磁流体非接触式旋转操控，拓宽光控流体技术的应用范围。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种驱动磁流体水平运动的方法，其特征在于：提供一磁场发生装置和一光源控制装置，取磁流体置于磁场发生装置内，磁场发生装置产生的磁场作用于磁流体使磁流体产生尖峰液滴，光源控制装置提供光源照射在磁流体上，驱动磁流体产生的尖峰液滴发生水平运动；其中，磁流体与磁场的距离控制磁流体产生的尖峰液滴的数量；所述磁流体尖峰液滴水平运动的速度与光源功率为正相关关系。所述水平运动包括不限于水平方向上的左右摇摆、顺时针旋转、逆时针旋转、消失再产生等运动。
上述技术方案中，磁场发生装置提供的磁场使磁流体在Rosensweig(罗森斯威格)效应下产生磁流体尖峰液滴并受到磁场的控制，通过控制磁场强度可以控制磁流体尖峰液滴数量；光源控制装置提供光源照射在磁流体上，磁流体吸收能量产生局部高温并与周围形成非均匀的温度分布差，从而使磁流体尖峰液滴在磁场力、马兰戈尼力的多物理场综合作用下实现水平方向的运动，保持光源的持续照射，就可以实现磁流体尖峰液滴的持续稳定旋转或其它运动。光源功率越大，磁流体表面的温度分布差也就越大，从而可以提高磁流体尖峰液滴的水平运动速度，发明人经实验得到，磁流体尖峰液滴水平运动的速度与光源功率为正相关关系，因此，通过增大光强就可以实现相同数量尖峰液滴的情况下更快的运动速度。发明人经实验得到，当磁流体尖峰液滴数量为3个，光源功率满足300mW以上即可实现尖峰液滴1.58rad/min的稳定旋转，因此本发明方法驱动磁流体旋转所需的功率阈值较低，可以在较低的功率下实现磁流体的旋转运动。而在控制相同照射条件的情况下，发明人发现三个尖峰液滴相对于两个尖峰液滴会呈现出更稳定的方向的旋转，而两个尖峰液滴相对于三个尖峰液滴会呈现出更高速的旋转，因此可以根据具体应用需求决定所需的磁流体尖峰液滴数量。
进一步的，所述光源控制装置包括光源输出装置和光源反射装置，光源反射装置位于光源输出装置的输出光路上，用于调节光源照射在磁流体上的位置和光源的入射角度。
光源反射装置可以调节光源的入射角度以适应不同的操作环境，经实验表明，40～90°的光源入射角度对尖峰液滴旋转速度的影响不大。
本发明中，发明人通过实验发现通过控制光源入射磁流体的不同位置，可以实现磁流体尖峰液滴不同的运动形式。进一步的，所述光源照射在磁流体上的位置包括磁流体尖峰液滴的鼓包处和磁流体尖峰液滴的鼓包的山脚处，根据光源照射在磁流体上不同的位置，磁流体尖峰液滴可以形成不同的运动状态，包括不限于水平方向上的左右摇摆、顺时针旋转、逆时针旋转、消失再产生等运动。
进一步的，所述光源输出装置的输出光路上设置有光源聚集装置。光源聚集装置可以更精准的控制光源入射位置从而更精确的控制磁流体尖峰液滴的旋转方向。
进一步的，所述磁流体包括Fe3O4油基磁流体。
磁流体又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。磁流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。磁流体具有超顺磁性、光热吸收强且表面张力随温度变化系数大的特点，通过光场和磁场的耦合作用，即可实现磁流体尖峰液滴的稳定旋转运动。
Fe3O4油基磁流体，其居里温度高达857K，使用温度范围较大，可最大范围的适用于不同情景，且工艺成熟材料稳定易得，应用前景广阔。
基于上述驱动磁流体水平运动的方法，本发明还提供了一种驱动磁流体水平运动的装置，它包括磁场发生装置和位于磁场发生装置上方的光源控制装置，所述磁场发生装置包括基板、磁场发生器和可移动平台，放置于可移动平台上的磁场发生器布置在基板下方，所述光源控制装置包括光源输出装置和光源反射装置，光源反射装置布置在光源输出装置的输出光路上。优选的是，所述光源输出装置的输出光路上还布置有光源聚集装置。
在本发明的一个实施例中，所述光源输出装置选用半导体激光器，功率调节范围为0～1250mW，光源波长为400～700nm；所述光源反射装置选用激光平面反射镜；所述光源聚焦装置选用焦距为15cm的激光凸透镜；所述磁场发生器选用圆形磁铁，圆形磁铁包括圆柱形磁铁、圆环形磁铁等，用于提供圆形磁场，磁铁包括钕铁硼永磁铁和电磁铁。
进一步的，本发明还提供了上述一种驱动磁流体水平运动的方法或者装置在微流体发电和微流体开关上的应用。
在微流体发电的一个具体应用中，可以在磁场中放置微型线圈，磁流体尖峰液滴的稳定旋转运动可以实现切割穿过感应线圈的磁感线，从而实现磁流体发电。在微流体开关的一个具体应用中，可以设计一圆形器皿放置磁流体，利用磁流体尖峰液滴的旋转方向可控来设计触发装置，实现微型流体开关，通过控制尖峰液滴尺寸和左右摇摆时间可以定制不同的应用场景。
与现有技术相比，本发明提供的驱动磁流体水平运动的方法和装置，是基于光致热效应产生的热退磁效应和马兰戈尼效应来操控单个及多个尖峰液滴的水平运动，它耦合光场和磁场一起来操控磁流体尖峰液滴发生宏观上的水平运动，实现了磁流体的非接触式旋转操控。该方法中，光源的功率决定了水平运动的速度，光源的入射位置决定了磁流体尖峰液滴的不同运动形式，本发明方法通过光场来驱动尖峰液滴运动，通过调节光源的强度即可控制不同的运动速度，通过调节光源的入射位置即可获得所需的磁流体尖峰液滴的运动形式，通过调控磁场的强度大小即可控制所需的磁流体尖峰液滴数量，操控简单灵活。
本发明方法成功将光场和磁场耦合起来，应用到磁流体的运动操控中，实现了磁流体的非接触式旋转操控，打破了现有微流体运动局限于水平方向流动的状况，拓宽光控流体技术的应用范围；并且本发明突破了现有需要通过移动驱动源来控制液体移动的壁垒，本发明方法只需保持光源的持续照射，保证有热源作用在磁流体上，使磁流体表面存在温度差即可维持磁流体尖峰液滴的持续运动，无需任何外部驱动装置。相对常规的调控尖峰液滴的方式，本发明不需要借助复杂的外部装置例如通过电动、机械、液压或气动的手段来实现，仅需要对磁场和光场的控制即可实现磁流体的运动操控，操作更加灵活和方便。本发明方法驱动磁流体旋转所需的功率阈值较低，可以在较低的功率下实现磁流体的旋转运动，能量消耗低，驱动效果显著。本发明提供的装置结构简单且易于操作，设备制造难度低；制备材料成本低廉，易于获取。本发明装置操控磁流体尖峰液滴运动的光源功率可调、入射位置和角度可调，磁流体的体积可调，尖峰液滴数量和转速可调，能够实现磁流体尖峰液滴稳定的旋转调控。
综上，本发明方法具有可重复性，流体运动方向可控，适用范围广，应用潜力大，能量转化效率高、运动持续时间长、环保节能等特点，提供的装置结构简单、光热转化效率高、可靠性高、稳定性好、成本低廉，为光控流体的应用提供了新选择。本发明具有普遍适用性，应用前景良好。
附图说明
图1为本发明提供的一种驱动磁流体水平运动的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所示的铁磁流体尖峰液滴数量随磁场强度变化的关系曲线图；
图3为本发明实施例2的铁磁流体尖峰液滴运动照片；
图4为本发明实施例3.1、实施例3.2和实施例3.3的铁磁流体尖峰液滴运动照片；
图5为本发明实施例4.1和实施例4.2的铁磁流体尖峰液滴运动照片；
图6为本发明实施例5操控三个铁磁流体尖峰液滴顺时针旋转和逆时针旋转的示意图；
图7为本发明实施例5.1和实施例5.2的铁磁流体尖峰液滴运动照片；
图8为本发明实施例6所示的铁磁流体尖峰液滴旋转速度与激光功率的关系示意图；
图9为本发明实施例7所示的铁磁流体尖峰液滴旋转速度与激光入射角度的关系示意图。
图例说明：
1-光源输出装置；2-光源反射装置；3-磁流体；4-基板；5-磁场发生器；6-可移动平台。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
首先，本发明提供了一种驱动磁流体水平运动的方法，该方法在于提供一磁场发生装置和一光源控制装置，取磁流体置于磁场发生装置内，磁场发生装置产生的磁场作用于磁流体使磁流体产生尖峰液滴，光源控制装置提供光源照射在磁流体上，驱动磁流体产生的尖峰液滴发生水平运动；其中，磁流体与磁场的距离控制磁流体产生的尖峰液滴的数量；所述磁流体尖峰液滴水平旋转运动的速度与光源功率为正相关关系。所述水平运动包括包括不限于水平方向上的左右摇摆、顺时针旋转、逆时针旋转、消失再产生等运动。
所述光源控制装置包括光源输出装置和光源反射装置，光源反射装置位于光源输出装置的输出光路上，用于调节光源照射在磁流体上的位置和光源的入射角度。
优选的是，所述光源输出装置的输出光路上还设置有光源聚集装置。
参见图1，本发明提供了一种驱动磁流体水平运动的装置，它包括磁场发生装置和位于磁场发生装置上方的光源控制装置，所述磁场发生装置包括基板4、磁场发生器5和可移动平台6，放置于可移动平台6上的磁场发生器5布置在基板4下方，基板4上放置磁流体3，所述光源控制装置包括光源输出装置1和光源反射装置2，光源反射装置2布置在光源输出装置1的输出光路上。优选的是，所述光源输出装置的输出光路上还布置有光源聚集装置。
本发明装置中磁场发生装置用于使磁流体3在磁场发生器5产生的磁场的约束下，产生磁流体尖峰液滴，并在磁流体受热受力失衡下提供磁场力驱动磁流体运动，通过调整可移动平台6来控制磁场发生器5与磁流体3的距离从而控制磁场强度大小进而控制磁流体产生的尖峰液滴的数量；光源控制装置中利用光源输出装置提供光源，光束平行入射到光源反射装置2上，光源反射装置2将光束垂直反射到磁流体3上，利用光场来操控磁流体尖峰液滴实现各种运动，实现磁流体非接触式的旋转操控。
在本发明的下述实施例中所使用的驱动磁流体水平运动的装置，其光源输出装置1选用半导体激光器，功率调节范围为0～1250mW，光源波长为400～700nm；光源反射装置2选用激光平面反射镜；光源聚焦装置选用焦距为15cm的激光凸透镜；磁场发生器5选用圆柱形钕铁硼永磁铁；基板4为玻璃基板。本发明实施例还在磁流体的上方设置有热成像仪器和相机，利用热成像仪器捕捉红外温度信息和利用相机对其运动视频进行捕捉，用于记录温度信息和运动图像，以便获取实验效果并进行比较。
在本发明的下述实施例中所使用的磁流体为向ferrotec公司所购买的普通市售铁磁流体(educationalferrofluidEFH1)。
所述铁磁流体光热吸收强在400～700nm波长范围的吸收系数≥109.1cm-1。
所述铁磁流体在400～700nm波长范围的吸收系数为109.1～1200cm-1。
所述铁磁流体在700nm波长处吸收系数为109.1cm-1，在400nm波长处吸收系数为1200cm-1。
所述铁磁流体表面张力随温度变化系数σT＝0.31mNm-1K-1。
所述铁磁流体在激光波长为532nm处的吸收系数达到86000m-1，透射深度为11μm。而且，所述铁磁流体的热扩散率为9.2×10-4cm2/s，仅为纯水的一半。强烈的光吸收和低的热扩散率是造成液体表面高温差的原因。磁流体的表面张力的温度系数达到0.31×10-3Nm-1K-1，是纯水的两倍以上。高的光吸收和较大的表面张力温度系数会产生可观的表面张力梯度，并推动表面液体的流动。在温度升高期间，铁磁流体的磁化强度会降低，导致初始未加磁场时的状态，粘度迅速降低，从而使Marangoni对流更加强烈。表面张力温度系数高，光吸收强，热扩散系数低和粘度低等综合因素使得Marangoni系数上升到6.1×104，与熔融金属和NaNO3晶体的Marangoni系数一样大。
在本发明的下述实施例中，所用装置的使用步骤包括：
(1)用移液枪取铁磁流体650μL放置于玻璃基板上，通过可移动平台调整磁铁与铁磁流体之间的距离，使铁磁流体形成一个或多个铁磁流体尖峰液滴；
(2)调节半导体激光器的激光波长为532nm，将调节好的连续激光通过激光平面反射镜照射铁磁流体尖峰液滴；经激光平面反射镜反射后的激光还可经激光凸透镜聚焦后再照射铁磁流体尖峰液滴；
(3)在磁流体上方摆放热成像仪器和相机，用于记录温度信息和获取运动图像。
实施例1：
通过调整磁铁与铁磁流体之间的距离，观察铁磁流体形成的尖峰液滴数量，从而获得如图2所示的铁磁流体尖峰液滴数量随磁场强度变化的关系曲线图，从图2我们可以得到，铁磁流体尖峰液滴数量是随着磁场强度的增大而增多的。图2为下述实施例提供了控制铁磁流体尖峰液滴数量的调整依据。
实施例2：
本实施例展示了激光(功率400mW，未聚集)持续照射一个铁磁流体尖峰液滴顶端的液滴变化情况，如图3所示，随着激光照射时间的延长，单个尖峰液滴在热退磁效应和表面张力作用下逐渐消失并下凹。
图3(a1)示出了未聚焦的532nm的连续激光照射一个尖峰液滴的顶端，时间为0s的情况；
图3(a2)示出了未聚焦的532nm的连续激光照射一个尖峰液滴的顶端，时间为73.75s的情况；
图3(a3)示出了未聚焦的532nm的连续激光照射一个尖峰液滴的顶端，时间为74s的情况；
图3(a4)示出了未聚焦的532nm的连续激光照射一个尖峰液滴的顶端，时间为74.25s的情况。
实施例3：
如图4所示，本实施例提供了一种光场和磁场耦合作用下驱动铁磁流体尖峰液滴消失再产生的方法，其中步骤(2)中激光照射位置为靠近目标编号的铁磁流体尖峰液滴。
实施例3.1：
如图4(a)所示，一种驱动一个铁磁流体尖峰液滴消失再产生的方法。调节磁场强度使产生一个铁磁流体尖峰液滴，未聚焦的532nm的连续激光照射单个尖峰液滴鼓包，铁磁流体吸收能量产生局部温差，热退磁效应导致铁磁流体尖峰液滴消失，冷端的磁流体又在磁场的作用下重新产生一个铁磁流体尖峰液滴。如此往复运动。
图4(a1)为激光照射编号“1”号铁磁流体尖峰液滴的示意图；
图4(a2)为激光照射编号“1”好铁磁流体尖峰液滴后消失的示意图；
图4(a3)为重新产生一个新的编号为“2”号的铁磁流体尖峰液滴的示意图。
实施例3.2：
如图4(b)所示，一种驱动两个铁磁流体尖峰液滴消失再产生的方法。调节磁场强度使其产生两个铁磁流体尖峰液滴，未聚焦的532nm的连续激光照射两个尖峰液滴鼓包的其中一个，铁磁流体尖峰液滴吸收能量，被照射的铁磁流体尖峰液滴消失并旋转再产生。
图4(b1)为激光照射位置为偏向编号“2”号铁磁流体尖峰液滴的示意图；
图4(b2)为旋转过程中“2”号铁磁流体尖峰液滴即将消失同时新的“3”号铁磁流体尖峰液滴即将产生的示意图；
图4(b3)为“2”号铁磁流体尖峰液滴消失同时产生新的“3”号铁磁流体尖峰液滴的示意图。
实施例3.3：
如图4(c)所示，一种驱动三个铁磁流体尖峰液滴消失再产生的方法。调节磁场强度使其产生三个铁磁流体尖峰液滴，未聚焦的532nm的连续激光照射三个尖峰液滴鼓包的其中一个，铁磁流体尖峰液滴吸收能量，被照射的铁磁流体尖峰液滴消失并旋转再产生新的铁磁流体尖峰液滴。
图4(c1)为激光照射位置为偏向编号“2”号铁磁流体尖峰液滴的示意图；
图4(c2)为旋转过程中“2”号铁磁流体尖峰液滴即将消失同时新的“4”号铁磁流体尖峰液滴即将产生的示意图；
图4(c3)为“2”号铁磁流体尖峰液滴消失同时产生新的“4”号铁磁流体尖峰液滴的示意图；
实施例4：
如图5所示，本实施例提供了一种光场和磁场耦合作用下驱动铁磁流体尖峰液滴水平摇摆运动的方法。液滴左右摇摆可实现接触—断开—接触的流体开关，液滴个数越多整体尺寸越大，左右摇摆的角度和时间也会有不同，可以适应多种应用场景。其中步骤(2)调节连续激光器的波长为532nm，功率为400mW，光斑照射到磁流体液滴中间峰谷区域。
实施例4.1：
如图5(a)所示，一种驱动一个铁磁流体尖峰液滴水平左右摇摆运动的方法，调节磁场强度使产生一个铁磁流体尖峰液滴，未聚焦的532nm的连续激光照射单个尖峰液滴鼓包的“山脚”处，铁磁流体吸收能量产生局部温差，产生热退磁效应和马兰戈尼效应，铁磁流体发生形变，在磁场力和表面张力的作用下左右摇摆运动。
图5(a1)为0s时，驱动一个铁磁流体尖峰液滴水平摇摆运动到最左侧的位置示意图；
图5(a2)为1.5s时，驱动一个铁磁流体尖峰液滴水平摇摆运动到最右侧的位置示意图；
图5(a3)为2.5s时，驱动一个铁磁流体尖峰液滴从最右侧水平摇摆运动到最左侧的位置示意图；
图5(a4)为4s时，驱动一个铁磁流体尖峰液滴从最左侧水平摇摆运动到最右侧的位置示意图。
实施例4.2：
如图5(b)所示，一种驱动两个铁磁流体尖峰液滴水平摇摆运动的方法，调节磁场强度使产生两个铁磁流体尖峰液滴，未聚焦的532nm的连续激光照射两个尖峰液滴鼓包的中间区域，两个铁磁流体尖峰液滴吸收能量，整体左右摇摆运动。
图5(b1)为0s时，驱动两个铁磁流体尖峰液滴水平摇摆运动到最左侧的位置示意图；
图5(b2)为2s时，驱动两个铁磁流体尖峰液滴水平摇摆运动到最右侧的位置示意图；
图5(b3)为4s时，驱动两个铁磁流体尖峰液滴从最右侧水平摇摆运动到最左侧的位置示意图；
图5(b4)为6s时，驱动两个铁磁流体尖峰液滴从最左侧水平摇摆运动到最右侧的位置示意图。
实施例5：
如图6所示，本实施例提供了一种光场和磁场耦合作用下驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平顺时针旋转和逆时针旋转运动的方法，其中步骤(2)调节连续激光的功率为500mW，激光通过激光平面反射镜照射到三个铁磁流体尖峰液滴的中间区域；三个铁磁流体尖峰液滴可视为旋转对称的，选定某一个铁磁流体尖峰液滴为参考液滴，激光光斑照射参考液滴的下侧偏离中心的位置。
实施例5.1：
如图7(a)所示，一种驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平顺时针旋转运动的方法，经过聚焦的532nm的连续激光照射选定的参考液滴的一侧，铁磁流体吸收能量产生局部温差从而产生热退磁效应和马兰戈尼效应，由于激光入射位置偏离中心，导致温度分布不均，从而产生不均衡的力的作用，铁磁流体尖峰液滴整体开始顺时针旋转运动。
图7(a1)为0s时，驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平顺时针旋转运动起始位置的的示意图；
图7(a2)为5s时，驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平顺时针旋转运动的位置示意图；
图7(a3)为11s时，驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平顺时针旋转运动的位置示意图；
图7(a4)为17s时，驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平顺时针旋转运动后回到起始点的位置示意图。
实施例5.2：
如图7(b)所示，一种驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平逆时针旋转运动的方法，聚焦的532nm的连续激光照射选定的参考液滴的一侧，铁磁流体吸收能量产生局部温差，由于光斑位置不同所以热量分布不同，在表面张力差的作用下，铁磁流体液滴整体实现逆时针旋转运动。
图7(b1)为0s时，驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平逆时针旋转运动起始位置的的示意图；
图7(b2)为5s时，驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平逆时针旋转运动的位置示意图；
图7(b3)为10s时，驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平逆时针旋转运动的位置示意图；
图7(b4)为15s，驱动三个铁磁流体尖峰液滴水平顺时针旋转运动后回到起始点的位置示意图。
优选的，在上述实施例中，激光聚焦与否并不影响实验结果，聚焦后光斑直径更小，可适应更多小尺寸要求的应用场景。
实施例6：
本实施例通过调控激光功率的大小来检验激光功率与铁磁流体尖峰液滴运动速度的关系以及相同功率下磁流体液滴数量与流体运动速度的关系。
图8以三个铁磁流体尖峰液滴和四个铁磁流体尖峰液滴为例，随着功率从300mW到500mW的增加，铁磁流体尖峰液滴的转速增加。同时可以看出，同等功率的情况下，铁磁流体尖峰液滴的数量越多，转速越慢。
实施例7：
本实施例通过调节激光入射角度的大小来检验激光入射角度与铁磁流体尖峰液滴运动速度的关系。
图9以三个铁磁流体尖峰液滴，激光功率为400mW为例，入射角度不同时，转速变化不大，表明转速与入射角度关系不大，可以适用于更广泛的应用场景。
实施例8：
本实施例通过对不同个数的铁磁流体尖峰液滴进行试验来验证本发明的规律，如下表1所示。
表1.不同个数的铁磁流体尖峰液滴可实现的运动形式
尖峰个数 顺时针旋转 逆时针旋转 左右摇摆 消失再产生的旋转
2 √ √ √ √
3 √ √ √ √
4 √ √ √ √
6 √ √ √ √
7 √ √ √ √
从上表可以看出，本发明可以操控更多数量的磁流体液滴实现水平方向上的摇摆、旋转、消失再产生等运动，表明本发明具有普遍适用性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种驱动磁流体水平运动的方法，其特征在于：提供一磁场发生装置和一光源控制装置，取磁流体置于磁场发生装置内，磁场发生装置产生的磁场作用于磁流体使磁流体产生尖峰液滴，光源控制装置提供光源照射在磁流体上，驱动磁流体产生的尖峰液滴发生水平运动；
其中，磁流体与磁场的距离控制磁流体产生的尖峰液滴的数量；所述磁流体尖峰液滴水平运动的速度与光源功率为正相关关系。
2.根据权利要求1所述的一种驱动磁流体水平运动的方法，其特征在于：所述光源控制装置包括光源输出装置和光源反射装置，光源反射装置位于光源输出装置的输出光路上，用于调节光源照射在磁流体上的位置和光源的入射角度。
3.根据权利要求2所述的一种驱动磁流体水平运动的方法，其特征在于：所述光源输出装置的输出光路上设置有光源聚集装置。
4.根据权利要求1或2所述的一种驱动磁流体水平运动的方法，其特征在于：所述光源照射在磁流体上的位置包括磁流体尖峰液滴的鼓包处、磁流体尖峰液滴的鼓包的山脚处。
5.一种驱动磁流体水平运动的装置，其特征在于：包括磁场发生装置和位于磁场发生装置上方的光源控制装置，所述磁场发生装置包括基板、磁场发生器和可移动平台，放置于可移动平台上的磁场发生器布置在基板下方，所述光源控制装置包括光源输出装置和光源反射装置，光源反射装置布置在光源输出装置的输出光路上。
6.根据权利要求5所述的一种驱动磁流体水平运动的装置，其特征在于：所述光源输出装置的输出光路上还布置有光源聚集装置。
7.根据权利要求5所述的一种驱动磁流体水平运动的装置，其特征在于：所述磁场发生器包括圆形磁铁，所述光源输出装置包括半导体激光器，所述光源反射装置包括激光平面反射镜。
8.根据权利要求6所述的一种驱动磁流体水平运动的装置，其特征在于：所述光源聚焦装置包括激光凸透镜。
9.权利要求1至4中任一项所述的一种驱动磁流体水平运动的方法在微流体发电和微流体开关上的应用。
10.权利要求5至8中任一项所述的一种驱动磁流体水平运动的装置在微流体发电和微流体开关上的应用。
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2165323A1 (en) * 1993-06-22 1995-01-05 Yao-Tzu Li Heat transfer apparatus with positive drive orbital whip rod
GB0015726D0 (en) * 1999-06-28 2000-08-16 California Inst Of Techn Microfabricated elastomeric valve and pump systems
JP2002250760A (ja) * 2001-02-26 2002-09-06 Iwate Prefecture 磁気測定装置及び磁気測定方法
WO2007101174A2 (en) * 2006-02-27 2007-09-07 Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University Digital magnetofluidic devices and methods
EP1930635A2 (en) * 2002-12-04 2008-06-11 Spinx, Inc. Devices and methods for programmable microscale manipulation of fluids
US8138749B1 (en) * 2008-06-09 2012-03-20 Georgetown University Optical imaging and patterning based on a magnetically controlled ferrofluid
CN206696305U (zh) * 2017-05-12 2017-12-01 宁波工程学院 基于磁性液体的加速度传感器
DE102016010504A1 (de) * 2016-08-29 2018-03-01 Hochschule Mittweida (Fh) Verfahren und Einrichtung zum Aufbau eines Werkstücks auf einem Träger mit Laserstrahlung eines Lasers, Werkstoffzufuhr mit einer an eine Steuereinrichtung gekoppelten Fördereinrichtung und Bewegungseinrichtungen
CN107899538A (zh) * 2017-03-03 2018-04-13 侯英翔 用非金属矿所产矿物及水泥厂生产原料制作降尘及吸尘材料
CN110232853A (zh) * 2019-06-05 2019-09-13 杭州魔象智能科技有限公司 一种磁流体液滴变形与分离现象观测实验系统及测试方法
WO2021041471A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Systems and methods for controlling shape and position of a ferrofluid droplet
CN112683737A (zh) * 2020-12-25 2021-04-20 电子科技大学 一种产生马兰戈尼效应的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017172409A1 (en) * 2016-03-28 2017-10-05 University Of Houston System Magnetic surfaces and uses thereof
US11536958B2 (en) * 2020-04-30 2022-12-27 Raytheon Company Ferrofluid sealed deformable mirror

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2165323A1 (en) * 1993-06-22 1995-01-05 Yao-Tzu Li Heat transfer apparatus with positive drive orbital whip rod
GB0015726D0 (en) * 1999-06-28 2000-08-16 California Inst Of Techn Microfabricated elastomeric valve and pump systems
JP2002250760A (ja) * 2001-02-26 2002-09-06 Iwate Prefecture 磁気測定装置及び磁気測定方法
EP1930635A2 (en) * 2002-12-04 2008-06-11 Spinx, Inc. Devices and methods for programmable microscale manipulation of fluids
WO2007101174A2 (en) * 2006-02-27 2007-09-07 Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University Digital magnetofluidic devices and methods
US8138749B1 (en) * 2008-06-09 2012-03-20 Georgetown University Optical imaging and patterning based on a magnetically controlled ferrofluid
DE102016010504A1 (de) * 2016-08-29 2018-03-01 Hochschule Mittweida (Fh) Verfahren und Einrichtung zum Aufbau eines Werkstücks auf einem Träger mit Laserstrahlung eines Lasers, Werkstoffzufuhr mit einer an eine Steuereinrichtung gekoppelten Fördereinrichtung und Bewegungseinrichtungen
CN107899538A (zh) * 2017-03-03 2018-04-13 侯英翔 用非金属矿所产矿物及水泥厂生产原料制作降尘及吸尘材料
CN206696305U (zh) * 2017-05-12 2017-12-01 宁波工程学院 基于磁性液体的加速度传感器
CN110232853A (zh) * 2019-06-05 2019-09-13 杭州魔象智能科技有限公司 一种磁流体液滴变形与分离现象观测实验系统及测试方法
WO2021041471A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Systems and methods for controlling shape and position of a ferrofluid droplet
CN112683737A (zh) * 2020-12-25 2021-04-20 电子科技大学 一种产生马兰戈尼效应的方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics;Psaltis D;《Nature》;第442卷(第7101期);381-386页 *
Integrated optofluidics: a new river of light;Monat C;《Nature Photonics》;第1卷(第2期);106-114页 *
磁场和光场共同调控磁流体的形变和运动研究;张航;《基础科学辑》;A004-135页 *
磁性液体rosensweig尖峰的磁控研究;李艳琴;《物理实验》;第35卷(第6期);4-7页 *
磁性纳米颗粒的二维光操纵及团聚效应;邓海东;《中国科学》;第44卷(第6期);557–563页 *
磁流体的非线性光学性质研究;杨祥鹏;《基础科学辑》;A005-54 *
非均匀磁场下磁流体形态的研究;郭子玥;《实验研究》;96-97页 *

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