中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
微流控技術(shù)可以處理微小體積的微液滴，為從材料科學(xué)、化學(xué)合成到生物醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域帶來了革命性的發(fā)展。在微流控技術(shù)中，微液滴通常是由不相溶的液相通過橫流、共流、流聚焦或階梯式微流控器件中的噴嘴產(chǎn)生的流體動力剪切作用而產(chǎn)生的，由于界面不穩(wěn)定而表現(xiàn)出擠壓、滴落和噴射模式。這些不穩(wěn)定性通常由流速與流體特性的耦合以及精心設(shè)計的微通道幾何形狀決定。為了通過這種機制促進微液滴的產(chǎn)生，通常會在微流體器件上施加外力，包括電場、磁場和離心力場，以引發(fā)Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性。
基于通道的技術(shù)通常需要繁瑣的微流控器件制造過程、選擇性地改變微通道的潤濕性以及專業(yè)設(shè)備的額外支持，這些都增加了成本和復(fù)雜性，不適合工業(yè)應(yīng)用。此外，芯片式微流控技術(shù)產(chǎn)生的微滴的大小和單分散性在很大程度上取決于流體的流速和物理特性。流速和物理特性的微小波動會導(dǎo)致液滴產(chǎn)品出現(xiàn)不希望出現(xiàn)的尺寸變化，從而阻礙微流控技術(shù)的通用性和穩(wěn)健性。
四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院褚良銀教授、汪偉教授團隊與合作者在液滴微流控領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)成果“Wetting-induced interfacial instability: A mechanism for droplet emission at air-liquid interfaces”發(fā)表于Science Advances期刊。
近年來，業(yè)界開發(fā)了空氣中微流控技術(shù)，通過在空氣中結(jié)合微米大小的液體射流來取代微流體通道，從而誘導(dǎo)液滴發(fā)射。這種方法利用振動壓電元件誘導(dǎo)噴嘴中的液體射流產(chǎn)生Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性，形成液滴，然后與空氣中的另一股液體射流碰撞，進行封裝。同樣，使用振動針在氣液表面定期注入分散相，通過界面剪切產(chǎn)生乳液。這些片外方法大大消除了微流體通道帶來的限制，但仍存在器件制造（集成壓電元件）和操作（由脈沖發(fā)生器控制）等復(fù)雜問題，因此不太適合工業(yè)放大。
針對上述難題，該論文提出一種強魯棒性的微液滴生成新機制——“浸潤誘導(dǎo)界面不穩(wěn)定性機制”。團隊研究發(fā)現(xiàn)，當空氣中的懸掛微液滴與另一種不相溶、但具有浸潤性的連續(xù)液相接觸時，能經(jīng)由界面能誘導(dǎo)的液相浸潤過程觸發(fā)界面不穩(wěn)定性，導(dǎo)致懸掛液滴迅速斷裂并分散進入連續(xù)相中形成微液滴?；谠摍C制，僅需將微通道噴嘴置于氣-液界面之上，便可利用液相間的界面能量關(guān)系實現(xiàn)單分散微液滴的可控制備，無需構(gòu)建復(fù)雜微通道，從而大幅簡化了液滴制備過程。
該方法所制得的液滴尺寸主要取決于噴嘴尺寸及其與氣-液界面的高度，實現(xiàn)了不易受液相物性和流速影響的強魯棒性微液滴產(chǎn)生過程。基于該機制，團隊利用黏度高達56600 mPas的非牛頓型流體制備了單分散微液滴；同時，團隊可控制得了多樣化組成和結(jié)構(gòu)的微液滴和聚合物微球，充分展示了該機制良好的適用性；此外，團隊通過增加微通道噴嘴數(shù)量展示了其規(guī)?；a(chǎn)微液滴的潛力。該研究為液滴微流控技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用以及微尺度界面科學(xué)的探索提供了新機遇。
四川大學(xué)是該論文第一完成單位。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院博士生蘇瑤瑤為論文的第一作者；四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院汪偉教授、潘大偉副教授、以及上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院鄧楠楠副教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads1065
