中国科技大学在微流动技术开发方面取得系列进展

我校工程科学学院朱志强特任副研究员、司廷教授和徐晓嵘教授在微纳尺度流动理论和调控方面取得了新突破，提出了无边界约束的开放式微流动方法，实现了从零维到三维材料的先进制造。新技术克服了传统封闭式微通道的局限性，具有生产效率高、材料适用性广、易于集成化和工业化等特点，在微球和微胶囊制备、增材制造、生物医学、能源环境、传感和微型机器人等领域展现出了重要的应用前景。结合国内外的最新进展，该团队近期撰写了题为《Free-Boundary Microfluidic Platform for Advanced Materials Manufacturing and Applications》的长篇综述，发表于国际著名期刊《Advanced Materials》上。

图1 先进材料制造需求导向的微流动技术开发

微流动（也称为微纳尺度流动）是流体力学的一个重要分支，主要研究微纳米尺度流体的力学行为及其与物质相互作用的流动现象和规律。微流动技术以其在微纳尺度上灵活操纵流体的卓越能力而成为先进材料制造领域的自然选择。然而，传统的微流控芯片和玻璃毛细管等技术采用封闭式通道结构，其流动过程严重依赖于壁面润湿性和介质的物理化学属性，在一定程度上限制了微流动技术的发展和应用。相比之下，开放式微流动技术具有自由的流体边界和敞开的流动空间，能够更灵活地引导、设计和固化流体模板，尤其适用于高粘度、高密度以及多场耦合等复杂条件下的微量流体操纵。通过开发微流动新技术，功能材料制造过程变得更加灵活、稳定和经济。

图2 微流动技术开发、先进材料制造和实际应用展示

近年来，该研究团队在微流动技术开发与先进材料制造等方面取得了系列进展。在微流动基础研究方面，将不稳定性理论与实验观测、数值模拟相结合，建立了力热、力电等耦合条件下多相流体界面不稳定性理论方法，获得了多介质微流动中复合射流与控制参数间的尺度律关系，揭示了流体界面扰动发展的物理规律，阐明了不同作用力对界面不稳定性及界面耦合的作用机制，理论模型成功预测了实际应用中的复合射流、电射流、热射流等流动规律。在微流动技术开发方面，已提出了主动激励流动聚焦、旋转流动聚焦、动态界面剪切和可编程气动打印等无边界约束的新方法，自主研制了高产能、智能可控的精细雾化和功能性微胶囊制造设备，成功制备了不同结构和功能的微纳颗粒、胶囊和纤维，为先进材料制造、生命科学研究、生物传感分析等领域提供了强大的工具。在微流动实际应用方面，克服了宽Z数多界面微液滴的可编程3D打印难题，成功实现了药物在多种外部刺激作用下的精准可控释放，获得了“节点+沟槽”形超快集水微纤维的精准制造，突破了基于液滴体积及响应性材料的智能信息加密及存储，显著提升了微型机器人在复杂环境下的运行效率等。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)受到国内外同行的广泛认可。