微气泡聚并颈部生长的演化规律

气泡普遍存在于火山熔岩脱气、废水处理和许多其他工业过程中。当气泡相互接触时,不可避免地会发生气泡聚并。Paulsen等人实验研究了外部流体对液滴和气泡聚并的影响,用无量纲数μ/(ργA)~(1/2).给出了外部流体粘度作用的时间。Shaw等人研究了气泡在气-水界面的聚并,描述了水下气泡颈部和表面桥的演化规律。Chen等人通过模拟方法研究了液体粘度、液体密度和表面张力对微泡聚并的影响。气泡聚并的研究大多在毫米量级。由于这一过程发生的时间较短,因此更难在微观尺度上进行捕捉和观察。本研究用janus颗粒在过氧化氢溶液中的化学反应产生20μm-70μm的微气泡。同时,借助倒置显微镜和高速相机(v2512,图1)观察两个微气泡的聚并过程,并使用甘油增加气泡外的流体粘度,以减缓颈部变化。当甘油过氧化氢溶液的粘度达到80%以上时,颈部生长会明显减缓。发现了无量纲颈部直径和无量纲时间之间存在d/D～(t/T)~(1/2)以及d/D～(t/T)~1的关系,外部流体粘度的变化将影响标度律拐点出现的时间(图2)。将表面张力、粘性力以及惯性力同时考虑,我们正在做统一的指数规律。由于颗粒的存在,靠近颗粒侧的气泡颈部的增长会受到限制,使整体气泡颈部的演化规律均小于原来的0.5以及1的指数关系

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

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