关键词：
液态金属微液滴
微流芯片
马兰戈尼效应
表面张力
产生与收集
自动化分选
摘要：
液态金属因其导电性强、可使用电/磁驱动等优异性能而被广泛应用于各领域。液态金属微液滴除拥有液态金属的优越性能外,还具备尺寸小、应用灵活、适用范围广等特点,在微系统研究或者生物医疗等微操作领域有着重要作用。然而,应用液态金属微液滴的重要前提是可以有效、稳定地产生以及分选出特定尺寸的液态金属微液滴。目前,产生液态金属微液滴的方法包括水浴超声法、流体剪切法、旋转系统剪切法等。然而,上述方法都存在着一些缺点,比如操作繁琐、尺寸不均一、设备复杂、耗时长等。本文首先结合微流芯片和马兰戈尼效应,设计出一种高效、可靠产生多尺寸液态金属微液滴的微流芯片。该芯片利用了马兰戈尼效应快速驱动液态金属的特性以及微流芯片低成本、高通量等优点,提高了液态金属微液滴的产生效率,为液态金属微液滴的制备提供了一种全新的方法和思路。其次,为分选出特定尺寸的液态金属微液滴,设计了一种具备液态金属微液滴速度调控、偏转力施加及分选等功能为一体的微流芯片,搭建了基于图像检测的自动化分选系统,成功分选了直径400μm以下的液态金属微液滴,并进行了定量分析。本文将从以下四个方面进行深入研究:第一,液态金属驱动机理、微通道结构设计以及建模仿真研究。首先,介绍液态金属在电解质溶液内的两大特性:双电层以及马兰戈尼效应。在无电场情况下,液态金属因无外力作用而不会引发移动。而在通电后,因表面张力梯度引发的马兰戈尼效应可快速驱动液态金属,并通过构建微通道内液态金属的等效电路进一步阐述液态金属的驱动机理。根据液态金属的驱动机理,面向液态金属微液滴制备,设计了一种新颖的微流芯片结构,包含倒置三角形（通道宽度逐渐减小）以及锥形窄口以使液态金属平稳流动并产生液态金属微液滴。微流芯片中液态金属的流动及驱动情况对液态金属微液滴的产生至关重要,因此使用有限元仿真软件（Comsol）对所设计的微通道结构进行电场和流速仿真以验证芯片设计的合理性和可行性。流速仿真结果表明:倒置三角形的设计可使液态金属的流速下降。电场仿真结果表明:窄口处的电场强度相较于其他区域有明显提升,这有利于利用电场驱动液态金属。综上所述,所设计微通道结构满足本文的研究需求。第二,微流芯片加工工艺研究。根据液态金属的驱动机理以及仿真分析,确定所设计的微流道满足实验要求。接着研究了微流芯片的制作工艺,主要包括:微流芯片材料的选择、掩膜版的选择、微流芯片阳模的制作工艺、PDMS复刻工艺以及玻璃基底与PDMS的键合工艺等,实验表明所研究的工艺可成功制备所需的微流芯片。第三,基于马兰戈尼效应的液态金属微液滴产生机理研究及实验验证。首先,使用高速摄像机观察液态金属在微通道内的破裂现象,实验表明:拉伸出窄口的液态金属迅速扩张并且窄口处的液态金属因受拉伸作用而发生破裂,这说明液态金属是在窄口处发生破裂从而形成液态金属微液滴。接着,依据这一破裂现象分析在电场情况下,液态金属在微通道内主要受到拉伸力（马兰戈尼力以及流体冲击力）和由表面张力引起的保持力。当拉伸力大于保持力时,液态金属就会被拉破而形成液态金属微液滴。紧接着,为深入探索微通道内液态金属微液滴的破裂机理,构建了基于液态金属的动力学模型,并且通过分析发现:电压和窄口可控制液态金属微液滴的尺寸,电压与液态金属微液滴尺寸成反比;窄口与液态金属微液滴尺寸成正比,并且通过实验验证了这一结论。同时,通过添加稳定剂聚乙烯醇（PVA）实现了对液态金属微液滴的收集。最后,为和流体剪切法区分开,做了两组对照实验:（Ⅰ）只施加电场而不设置液态金属流速;（Ⅱ）只设置液态金属流速而不施加电场。实验发现:只有对照实验（Ⅰ）产生了液态金属微液滴,对照实验（Ⅱ）会导致液态金属倾泻而不产生微液滴。通过实验结果比对,更证实了导致液态金属破裂的是马兰戈尼效应。第四,液态金属微液滴分选实验研究。首先介绍了微流芯片内液态金属的电毛细现象,液态金属放置在两电极之间时,因溶液内的离子运动会导致液态金属发生移动,基于这一现象可实现液态金属微液滴的通道内偏转,为液态金属微液滴分选奠定了基础。接着,设计了一种具备液态金属微液滴速度调控、偏转力施加及分选等功能为一体的微流芯片,并对所设计的微流芯片进行运动仿真,主要从流速、流线以及粒子轨迹这三个方面分析液态金属微液滴在微通道内的运动,仿真结果表明:不受电毛细力作用的液态金属微液滴都会朝着出口 1和出口 2运动。了解液态金属微液滴在微通道内的运动为微液滴的分选奠定了基础。然后,搭建了液态金属微液滴自动化分选系统,利用OpenCV实现了实时的图像显示,通过RS485串口通讯完成了微流泵以及信号发生器的控制。最后,详细介绍了基于尺寸分选液态金属微液滴的实验研究,自动分选出直径400μm以下的液态金属微液滴并定量分析了液态金属微液滴的分选效率约为72.58%。该实验证明了自动化分选液态金属微液滴的可行性,为
