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  從龍卷風(fēng)到排水的水池，旋渦（或稱(chēng)作渦流）是日常生活中常見(jiàn)的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。高速流動(dòng)的流體在遇到障礙物后就會(huì)在障礙物后形成渦流，著名的“卡門(mén)渦街”就是這樣一種現(xiàn)象�？ㄩT(mén)渦街出現(xiàn)的條件一般是雷諾系數(shù)大于50。雷諾系數(shù)與流體的速度和流動(dòng)通道的特征長(zhǎng)度都成正比。而在微流體器件中，通道的特征長(zhǎng)度往往只有幾十微米，這使得微流體器件中的雷諾系數(shù)通常遠(yuǎn)小于1 。在這種條件下，流體是一種層流狀態(tài)，渦流不會(huì)自發(fā)形成。所以在微流體器件中構(gòu)造渦流具有極大的挑戰(zhàn)性。有人通過(guò)把流速極大提高從而增大雷諾系數(shù)的方式在微流通道中構(gòu)造渦流，另外的方法可以通過(guò)外加聲場(chǎng)或電場(chǎng)的方式提供額外的力使流體產(chǎn)生渦流。最近中科院化學(xué)研究所的宋延林研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種新方法：利用流體自身的馬蘭格尼（Marangoni）效應(yīng)而無(wú)需借助外場(chǎng)作用，實(shí)現(xiàn)了在低雷諾數(shù)下（即蠕動(dòng)流）構(gòu)造自驅(qū)動(dòng)微渦流的方法。

圖1. 卡門(mén)渦街。

  馬蘭格尼效應(yīng)由水-空氣界面的表面張力梯度引起，能夠在流體表面產(chǎn)生切向的力。在這種表面力作用下，在蠕動(dòng)流狀態(tài)下流體也可以產(chǎn)生旋渦流。該工作通過(guò)蒸發(fā)誘導(dǎo)馬蘭格尼流的形成，進(jìn)而形成一個(gè)自驅(qū)動(dòng)的渦流體系。其中通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而產(chǎn)生一個(gè)不均勻的蒸發(fā)場(chǎng)，在液體表面形成不均勻的表面活性劑濃度分布，進(jìn)而形成馬蘭格尼流（如圖2所示）。

圖2. 蒸發(fā)誘導(dǎo)的自驅(qū)動(dòng)渦流的實(shí)驗(yàn)方法。

  在實(shí)驗(yàn)中，表面活性劑溶液被夾在微結(jié)構(gòu)硅襯底和玻璃蓋之間。因此，流體被限制在一個(gè)準(zhǔn)二維的薄層空間中，流體界面變得狹長(zhǎng)。在這種情況下，馬蘭格尼流表現(xiàn)為一種淺層表面流動(dòng)行為。隨著表面活性劑濃度的增加，馬蘭格尼流的對(duì)流距離隨之增大。在長(zhǎng)距離對(duì)流的基礎(chǔ)上，通過(guò)微結(jié)構(gòu)調(diào)控流體界面形成一些特定的形狀，就能將表面流轉(zhuǎn)化為渦流。渦流的形態(tài)取決于流體界面的形狀和流體中的微結(jié)構(gòu)排列。圖3給出了一些典型的渦流圖案。

圖3. 通過(guò)微結(jié)構(gòu)調(diào)控流體界面構(gòu)造多樣的渦流形貌。

  他們利用COMSOL數(shù)值仿真軟件進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)模擬，可以精確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中渦流的模式，從而高效地設(shè)計(jì)渦流圖案。

圖4. 通過(guò)COMSOL流體力學(xué)仿真預(yù)測(cè)渦流圖案。

  這種微米級(jí)的渦流可以成為微尺度下操控物體的一種有效工具。在本工作中，他們實(shí)現(xiàn)了在微米尺度旋轉(zhuǎn)微型物體，并實(shí)現(xiàn)了具有粒徑篩選功能的微米顆粒的輸運(yùn)和富集，使流體中的顆粒富集在特定的渦流之中。這種方法有望實(shí)現(xiàn)分離和富集血液中的細(xì)胞成分，在微流控領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。

圖5. 渦流實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)微型物體和顆粒富集。

  這一成果近期發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章第一作者中科院化學(xué)所博士生蔡哲仁，通訊作者為中科院化學(xué)所宋延林研究員和加拿大西安大略大學(xué)黃占東博士，通訊單位中科院化學(xué)所。

  論文信息：Evaporation Induced Spontaneous Micro‐Vortexes via Engineering Marangoni Flow

  https://doi.org/10.1002/anie.202008477