[论文解读] Thermocapillary-driven fluid flow within microchannels

Guillermo J. Amador, Ahmet Fatih Tabak+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2018

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 21被引用 5

一句话总结

本研究提出了一种生物相容性、太阳能驱动的热毛细微流体泵，利用嵌入壁面腔体中流体-流体界面处的温度梯度，实现毫米每秒量级的流体流动。通过利用表面张力的温度依赖性，该系统实现了与施加热梯度成比例的线性、可控流动，从而为芯片上的实验室应用提供自主、无泵流体输送。

ABSTRACT

Surface tension gradients induce Marangoni flow, which may be exploited for fluid transport. At the micrometer scale, these surface-driven flows can be more significant than those driven by pressure. By introducing fluid-fluid interfaces on the walls of microfluidic channels, we use surface tension gradients to drive bulk fluid flows. The gradients are specifically induced through thermal energy, exploiting the temperature dependence of a fluid-fluid interface to generate thermocapillary flow. In this report, we provide the design concept for a biocompatible, thermocapillary microchannel capable of being powered by solar irradiation. Using temperature gradients on the order of degrees Celsius per centimeter, we achieve fluid velocities on the order of millimeters per second. Following experimental observations, fluid dynamic models, and numerical simulation, we find that the fluid velocity is linearly proportional to the provided temperature gradient, enabling full control of the fluid flow within the microchannels.

研究动机与目标

• 开发一种无泵、自主的微流体系统，消除对外部机械或电力泵的依赖。
• 利用微尺度流体-流体界面处由温度梯度驱动的热毛细力实现流体输送。
• 通过使用生物相容性材料和太阳能辐照作为能量源，证明其可行性。
• 建立温度梯度与流体速度之间的线性关系，以实现精确的流量控制。
• 在生物应用中验证系统功能，例如巨噬细胞的捕获。

提出的方法

• 在侧壁上制造了宽100 µm、深150 µm的PDMS和聚氨酯微通道腔体，用以捕获空气、硅油或十二烷醇，形成流体-流体界面。
• 使用间距为10 mm的相对Peltier器件施加热梯度，在通道上产生每厘米几摄氏度的温差。
• 通过使用1 µm荧光颗粒的微粒图像测速法（micro-PIV）测量流体速度，实验介质为去离子水。
• 建立流体动力学模型，平衡粘性力与热毛细力，推导出速度与温度梯度之间的线性关系。
• 采用有限元分析进行数值模拟，以模拟流场和温度场，并与实验数据进行验证。
• 使用高功率LED和涂有黑色油墨的玻璃模拟太阳辐照，以吸收光能并产生局域加热，从而实现太阳能驱动运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过微通道壁面中流体-流体界面处的热梯度产生的热毛细力驱动整体流体流动？
• RQ2 所得流体速度是否与施加的温度梯度呈线性比例关系，从而实现精确控制？
• RQ3 该系统能否使用太阳辐照作为热能源运行，实现自主、无泵流体输送？
• RQ4 该微流体设计能否在热毛细流动条件下支持生物应用，例如选择性细胞捕获？
• RQ5 壁腔中不同填充流体（空气、油、十二烷醇）如何影响热毛细泵送的效率与稳定性？

主要发现

• 在每厘米几摄氏度的温度梯度下，实现了约1 mm/s的流体速度，证明了在微尺度下热毛细泵送的有效性。
• 实验观察到流体速度与温度梯度之间存在线性关系，证实了流动行为的可预测性与可控性。
• 理论建模与数值模拟结果与实验数据高度一致，验证了粘性力与热毛细力平衡模型的可靠性。
• 通过功能化表面化学方法，系统成功从稀释的血液样本中捕获了巨噬细胞，证实了其生物相容性。
• 使用高功率LED模拟太阳辐照，成功生成了足以驱动流体流动的热梯度，展示了太阳能驱动运行的潜力。
• 采用生物相容性材料（PDMS、聚氨酯、玻璃）和非导电流体，实现了与生物样品及细胞操作的安全集成。