中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院朱志強特任副研究員、司廷教授和徐曉嶸教授在微納尺度流動理論和調(diào)控方面取得了新突破，提出了無邊界約束的開放式微流動方法，實現(xiàn)了從零維到三維材料的先進制造。新技術(shù)克服了傳統(tǒng)封閉式微通道的局限性，具有生產(chǎn)效率高、材料適用性廣、易于集成化和工業(yè)化等特點，在微球和微膠囊制備、增材制造、生物醫(yī)學(xué)、能源環(huán)境、傳感和微型機器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用前景。結(jié)合國內(nèi)外的最新進展，該團隊近期撰寫了題為《Free-Boundary Microfluidic Platform for Advanced Materials Manufacturing and Applications》的長篇綜述，發(fā)表于國際著名期刊《Advanced Materials》上。
 

圖1 先進材料制造需求導(dǎo)向的微流動技術(shù)開發(fā)
 

　　微流動(也稱為微納尺度流動)是流體力學(xué)的一個重要分支，主要研究微納米尺度流體的力學(xué)行為及其與物質(zhì)相互作用的流動現(xiàn)象和規(guī)律。微流動技術(shù)以其在微納尺度上靈活操縱流體的卓越能力而成為先進材料制造領(lǐng)域的自然選擇。然而，傳統(tǒng)的微流控芯片和玻璃毛細管等技術(shù)采用封閉式通道結(jié)構(gòu)，其流動過程嚴重依賴于壁面潤濕性和介質(zhì)的物理化學(xué)屬性，在一定程度上限制了微流動技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。相比之下，開放式微流動技術(shù)具有自由的流體邊界和敞開的流動空間，能夠更靈活地引導(dǎo)、設(shè)計和固化流體模板，尤其適用于高粘度、高密度以及多場耦合等復(fù)雜條件下的微量流體操縱。通過開發(fā)微流動新技術(shù)，功能材料制造過程變得更加靈活、穩(wěn)定和經(jīng)濟。
 

圖2 微流動技術(shù)開發(fā)、先進材料制造和實際應(yīng)用展示
 

　　近年來，該研究團隊在微流動技術(shù)開發(fā)與先進材料制造等方面取得了系列進展。在微流動基礎(chǔ)研究方面，將不穩(wěn)定性理論與實驗觀測、數(shù)值模擬相結(jié)合，建立了力熱、力電等耦合條件下多相流體界面不穩(wěn)定性理論方法，獲得了多介質(zhì)微流動中復(fù)合射流與控制參數(shù)間的尺度律關(guān)系，揭示了流體界面擾動發(fā)展的物理規(guī)律，闡明了不同作用力對界面不穩(wěn)定性及界面耦合的作用機制，理論模型成功預(yù)測了實際應(yīng)用中的復(fù)合射流、電射流、熱射流等流動規(guī)律。在微流動技術(shù)開發(fā)方面，已提出了主動激勵流動聚焦、旋轉(zhuǎn)流動聚焦、動態(tài)界面剪切和可編程氣動打印等無邊界約束的新方法，自主研制了高產(chǎn)能、智能可控的精細霧化和功能性微膠囊制造設(shè)備，成功制備了不同結(jié)構(gòu)和功能的微納顆粒、膠囊和纖維，為先進材料制造、生命科學(xué)研究、生物傳感分析等領(lǐng)域提供了強大的工具。在微流動實際應(yīng)用方面，克服了寬Z數(shù)多界面微液滴的可編程3D打印難題，成功實現(xiàn)了藥物在多種外部刺激作用下的精準可控釋放，獲得了“節(jié)點+溝槽”形超快集水微纖維的精準制造，突破了基于液滴體積及響應(yīng)性材料的智能信息加密及存儲，顯著提升了微型機器人在復(fù)雜環(huán)境下的運行效率等。以上系列研究成果(Journal of Fluid Mechanics, 936: A6, 2022;Journal of Fluid Mechanics, 954: A46, 2023; Lab on a Chip, 20: 1249-1258, 2020;Lab on a Chip, 17: 3168-3175, 2017; Lab on a Chip, 15: 646-649, 2015; Materials Horizons, 8: 1756-1768, 2021;Chemical Engineering Journal, 433: 134495,2022; Matter, 6: 2034-2051,2023)受到國內(nèi)外同行的廣泛認可。
 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱志強特任副研究員為《Advanced Materials》(2023: 2304840)論文的第一及共同通訊作者，司廷教授和徐曉嶸教授為共同通訊作者，共同作者包括工程科學(xué)學(xué)院黃芳勝特任副研究員和博士生陳天傲等。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青促會優(yōu)秀會員以及省重點研發(fā)計劃等項目的資助。