自驱动微纳马达在水环境领域的研究进展

可持续发展是当今世界面临的重大挑战,其中水环境问题尤为复杂和困难.微纳马达是具有截然不同物理或化学性质的微纳功能材料,在不同的外部激励条件下可以建立起极大的梯度场并形成自驱动,这一特性为特定的水环境问题提供了有效的解决方案,而水环境也被认为是这一新兴材料重要的应用场所之一.本文重点综述了近年来利用微纳马达的自驱动性质进行水环境监测和水体修复等方面研究的进展.此外,本文还给出了主动输运及膜过滤过程与微纳马达运动机理的关联,并对如何利用自驱动性质回收微纳马达进行了讨论,以减少微纳马达自身对环境的影响.最后对这一领域未来的研究进行了展望.</p

Janus微球高效自驱运动研究

Janus颗粒由物理或化学性质不同的两部分所构成,利用Janus颗粒两侧性质的差异可以建立浓度、温度或光强等物理量的梯度场,并导致Janus颗粒的自驱动。在微尺度下,自驱动具有重要的应用前景,其机理研究正日益受到重视。比如1-2μm的铂-二氧化硅(Pt-SiO_2)型Janus微球在过氧化氢H_2O_2溶液中,H_2O_2在Pt一侧催化分解形成浓度梯度导致的自扩散泳动。之前的研究表明,这类自扩散泳动驱动速度约为10μm/s,特征扩散系数能增大约2个量级。而近来实验发现,当微球直径增大到10μm以上时,催化反应产生的氧气会在Pt侧形成气泡,从而加速推进微球自驱动运动。这提高了气泡推进微马达(micro-motor)器件的化学能向机械能转变效率,增强了自驱动的应用前景。其驱动机理仍有待我们研究。本文以直径20-50μm的Pt-SiO_2型中空Janus微球在H_2O_2溶液体系为研究对象,用MicroPTV技术观测Janus微球在纯水及不同浓度(2-3%)H_2O_2溶液中的自驱动运动。在球形微马达中实现了高达500μm/s的自驱动,约为25LB/s(length to body persecond),并且整体驱动效率高达10~((-8)),远高于文献的驱动效率10~((-10))。实验结果表明:(1)微气泡可将Janus微球的推进速度提高到0.5mm/s以上;(2)微气泡推进过程,Janus微球运动可以分为(a)浓度梯度主导、(b)气泡生长推进和(c)气泡溃灭三个阶段;(3)气泡溃灭时产生朝向Janus微球的瞬时射流,被认为是提高速度及能量转化效率的关键环节

利用气泡微马达操控颗粒pusher/puller模式的研究

随着流动特征尺度的减小惯性力会迅速衰减,因此常在微流动问题中被忽略。然而,研究表明引入可观的惯性力有助于实现高效的泳动微马达及对微颗粒的精准操控。气泡驱动型微马达由空心Janus微球在H2O2溶液中产生气泡,通过其周期性生长和溃灭驱动Janus微球(JM)运动。JM表面嵌入镍层,以响应施加的外部磁场,从而控制微马达向近气液界面处目标微颗粒移动,并在靠近目标颗粒时快速调整微马达的运动方向。通过气泡溃灭及空化诱导的水动力学射流,以此形成不同运动模式的自驱动组合体(Janus微马达+微空泡+加载微颗粒/细胞)。由于气泡溃灭下一时刻诱导的射流方向朝向受限更强的一侧,实验中根据组合体运动方向将其分为两种不同的模式,即pusher和puller (当微颗粒和微马达尺寸相当时,组合体呈原位振荡)。通过对尺寸的无量纲化给出不同的模式下的相图,如图1,并揭示了微颗粒尺寸与力学响应的非线性关系(图2),即无量纲尺度与无量纲速度的函数关系

基于气泡微机器人对自由液面处微小物体的多模式操控

近年来,基于仿生微生物游动及微尺度流体力学理论研发的高效泳动微机器人取得了巨大发展。这种无约束的微工具为宏观世界与微观流体环境的灵活交互提供了新的手段,其中,由于气泡微机器人强有力的驱动能力,在药物输运、微纳流控等领域展现出诱人的应用前景。与传统的微观操控方法相比,如使用微针或微移液管与目标物直接接触控制,会带来对目标物周围环境不可避免的强相互作用影响,微机器人可以独立精准操控微米尺寸的目标物,而不影响目标物周围较大区域的环境。然而,由于复杂的界面效应,适用于气液界面附近工作的多功能微机器人很难实现。气液界面一方面提供了平衡的垂向力学条件,便于开展二维操控,但显著的界面效应也给微机器人的设计及目标物操控带来巨大挑战。复杂界面尤其气液自由界面"软"约束下气泡微机器人的驱动机理的系统研究仍处于空白。易变形的自由界面耦合气泡复杂的动力学过程,将导致气泡微机器人运动中出现丰富的流动现象和新颖的驱动机制,尤其是微气泡溃灭诱导的瞬态射流及其流动控制,是微纳流控研究的重要前沿问题。本工作以中空微球为模板制备了Pt/Ni-SiO2型Janus微球,根据气泡成核机制,微球直径大于10μm时,可由Pt侧表面催化分解H2O2反应生成微气泡,调控外加磁场作用于Ni层实现对运动方向的引导,从而构建了可以漂浮于自由液面附近的微机器人系统。首先研究了周期性微气泡生长溃灭驱动微机器人运动机理。实验研究表明,催化反应周期性产生的气泡兼具驱动及"抓手"的功能,其物理机制在于自由液面受限条件下迥异的气泡动力学特性,以及流场在时间与空间上的强烈非对称性。气泡在气液界面的溃灭还会诱导表面毛细波,可延长作用的范围。此外,通过可视化的实时磁引导,可以精准调整微机器人的运动姿态,进行运动路径的规划。基于此,本文实现了微机器人的多运动模式(如启停、变速、转向)以及多工作模式(如推进、抓取、释放、近场作用,远场作用)的灵活换切。通过上述单元操作的组合还有望实现更加复杂的功能,在气液界面的微操作、微组装和生物工程中发挥重要的作用

气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验研究

本文通过Pt-SiO2型（铂-二氧化硅型）中空Janus微球在低浓度2%～4%H2O2溶液中的气泡驱动实验,观察到在每个气泡生长-溃灭周期内,Janus微球的运动呈现3个特征阶段,分别为自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭。其中气泡溃灭阶段微球在射流驱动下的推进速度可达每秒几十毫米,比前2个阶段的平均速度大2～3个数量级。实验观察到气泡生长阶段其半径与时间存在Rb～t1/3和Rb～t1/2两种标度率。由于气泡在Janus微球催化剂表面（Pt侧）的生长点偏离对称轴位置,Janus微球的运动轨迹呈圆周形。随H2O2溶液浓度的增加,还可以进一步提高Janus微球的运动速度。此研究不仅定量分析了Janus微球的运动特性,而且为实际应用中提高Janus双面微马达的运动速度和能量利用率提供了参考依据

Experimental Research on Flow Characteristics in Cone-Shaped Axial Micro-Channel

介绍了生物转基因显微注射的应用和存在的问题.针对显微注射所用的锥形轴对称微管道,进行了流动过程理论分析,并在微流动实验平台上对这种管道内流动进行了流量与压力特性参数的连续观测实验,详尽介绍了实验装置和实验过程,并给出了尖端直径为4～15μm的锥形管道流动实验结果

锥形轴对称微管道内流动特性实验研究

介绍了生物转基因显微注射的应用和存在的问题。针对显微注射所用的锥形轴对称微管道，进行了流动过程理论分析，并在微流动实验平台上对这种管道内流动进行了流量与压力特性参数的连续观测实验，详尽介绍了实验装置和实验过程，并给出了尖端直径为4～15μm的锥形管道流动实验结果

体相微马达双气泡聚并驱动的界面演化机制

微纳米马达是建立微流体环境与宏观操控的桥梁,气泡微马达的驱动速度高,这一优势在实际应用中不可替代.管式气泡马达适用于复杂场景但能量转化率低,气泡驱动的Janus微球马达效率高但仅适用于气液界面附近.鉴于此,本文提出通过双气泡聚并方式驱动Janus微球马达的新体系,调和了高能量转化率与界面受限的矛盾.在实验中,借助高速摄像记录了双气泡聚并驱动微马达的-100 μs级过程,气泡聚并紧邻微球发生,通过释放的能量驱动微球显著运动,其融合过程是独特的可动曲壁受限下的气液界面演化问题.进一步结合伪势格子Boltzmann数值方法探究了气泡聚并驱动的流体动力学机制.研究结果揭示了不同时段气泡聚并的细节,给出了气泡颗粒尺寸比等因素对微球位移、初始动能转换率的影响,确认了双气泡聚并释放表面能的高效驱动机制

Interface evolution mechanism of dual-bubble coalescence driving micromotors in bulk phase

微纳米马达是建立微流体环境与宏观操控的桥梁,气泡微马达的驱动速度高,这一优势在实际应用中不可替代.管式气泡马达适用于复杂场景但能量转化率低,气泡驱动的Janus微球马达效率高但仅适用于气液界面附近.鉴于此,本文提出通过双气泡聚并方式驱动Janus微球马达的新体系,调和了高能量转化率与界面受限的矛盾.在实验中,借助高速摄像记录了双气泡聚并驱动微马达的-100 &mu;s级过程,气泡聚并紧邻微球发生,通过释放的能量驱动微球显著运动,其融合过程是独特的可动曲壁受限下的气液界面演化问题.进一步结合伪势格子Boltzmann数值方法探究了气泡聚并驱动的流体动力学机制.研究结果揭示了不同时段气泡聚并的细节,给出了气泡颗粒尺寸比等因素对微球位移、初始动能转换率的影响,确认了双气泡聚并释放表面能的高效驱动机制.</p

大型太阳能空调／热泵系统

详细介绍了位于北京天普集团工业园区的太阳能空调／热泵系统。该系统主要由太阳能集热器阵列、溴化锂制冷机、热泵、控制系统等几部分组成。系统以太阳能为主，热泵为辅，可以完全满足新能源示范大楼全年的空调、采暖及生活热水的需要。介绍了系统的技术参数及部分运行数据，分析了系统的特点及运行状况