Real-time Manipulation of Liquid Droplets using Photo-responsive Surfactant
本研究利用光响应表面活性剂和低强度光在液-固界面及微通道内实现液滴的快速可编程运动，通过Marangoni流驱动，为微流控和热管理提供新方法。
2023-05-13 physics.flu-dyn
Microvalve-Based Tunability of Electrically Driven Ion Transport Through a Microfluidic System with Ion-Exchange Membrane
微流体通道具有嵌入的离子选择性渗透介质，在施加电流的情况下通常用于电动过程，如芯片上离子浓差极化（ICP）和生物颗粒预浓缩以增强生物传感。在这里，我们展示了通过集成可单独寻址的微阀来动态控制电驱动离子传输的能力。微阀沿着主微通道定位，该主微通道均匀地涂覆有离子交换膜（IEM）的薄层。在施加电流下，微通道内的溶液和薄IEM之间的离子传输的相互作用可以通过微阀的变形来局部调节。这种可调谐性提供了将新功能实现到芯片实验室设备中的鲁棒且简单的手段，例如，对多个ICP层及其相关的预浓缩分子塞的动态控制、多路传感、生物污染的抑制以及塞分散，同时保持微阀作为空间过滤的公知应用。
2022-11-20 physics.flu-dyn
Interaction Forces Between Microfluidic Droplets in a Hele-Shaw Cell
各种微流体系统，例如化学和生物芯片实验室装置，涉及多个液滴在浅微通道中的浸没流体内的运动。对这种系统的动力学进行建模需要计算移动液滴之间的相互作用力。这些力通常通过偶极子解的叠加来近似，这需要假设液滴之间的距离足够大。在这项工作中，我们得到精确的解决方案（在黑尔-肖极限）为两个移动的液滴，和液滴内的液滴，位于一个移动的浸没流体，没有限制的液滴之间的距离。这是通过在双极坐标系中求解压力场和在笛卡尔坐标系中计算力来实现的。我们的结果与数值计算，实验数据和现有的偶极模型进行了比较。我们利用这些结果来计算液滴内的液滴的动力学，以及两个接近的液滴，位于具有振荡速度的浸没流体内。所得结果可用于研究许多微流体系统常见的稠密液滴晶格的动力学。
2015-10-16 physics.flu-dyn
Microfluidics for Ultra High-Throughput Experimentation: Droplets, Dots & Photons
Andrew J. deMello是苏黎世联邦理工学院化学与应用生物科学系的生物化学工程教授。在这篇文章中，他描述了他的实验室在开发用于分子和纳米材料合成的新型微流体系统，用于超高通量实验的液滴系统以及用于小体积环境中灵敏和快速分析的新型光学技术方面所做的努力。
2018-01-10 physics.flu-dyn q-bio.OT
A compact and efficient three-dimensional microfluidic mixer
微流体混合是大多数芯片上实验室（Lab on a Chip，简称LAB）系统中的基本功能，而在微流体通道中由于小的雷诺数而实现有效混合是具有挑战性的。在这里，我们设计和制造了一个紧凑的三维（3D）微混合器，使有效的混合在各种流速。使用蓝色和红色墨水检查所制造的微混合器的性能。利用飞秒激光微加工制造任意3D几何形状的微流体结构的极大灵活性使我们能够解决优化混合效率的主要不利影响。
2019-10-07 physics.app-ph physics.flu-dyn
Planar microfluidics - liquid handling without walls
电子电路的小型化和集成化不仅使半导体器件的性能的巨大提高成为可能，而且还产生了从蜂窝电话到个人计算机的无数新产品和应用。同样，化学和生物过程的微型化和一体化将彻底改变生命科学。基因组时代的药物设计和诊断需要可靠且具有成本效益的高通量技术，这些技术可以集成并允许大规模并行化。微流体技术是实现这种具有亚毫米尺度特征尺寸的小型化实验室的核心技术。在这里，我们报告了一种新型的微流体技术，它满足了微流体处理器的基本要求，类似于其电子对应物：成本效益高的生产，模块化设计，高速，可扩展性和可编程性。
2001-04-25 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Volume-of-fluid simulations in microfluidic T-junction devices: Influence of viscosity ratio on droplet size
采用流体体积法对微流控T型连接器件中牛顿流体的液滴形成过程进行了三维数值模拟。为了评估VOF方法的性能，我们研究了液滴形成的制度，并确定液滴尺寸作为系统参数的函数。模拟结果与文献中的四组实验数据的比较显示出良好的一致性，验证了VOF方法。由于缺乏足够的研究来调查粘度比（λ）对所产生的液滴尺寸的影响，我们绘制了液滴体积对毛细管数（0.001 < Ca < 0.5）和粘度比（0.01 < λ < 15）的依赖性。我们发现，对于所有的粘度比调查，液滴尺寸随毛细管数的增加而减小。然而，液滴尺寸随毛细管数的减小对于λ < 1比对于λ > 1更强。此外，我们还发现在给定的毛细管数下，当λ < 1时，液滴的尺寸变化不大，而当λ > 1时，液滴的尺寸增大。我们开发了一个分析模型，用于预测液滴的大小，其中包括一个粘度依赖的分散相的破碎时间。这种改进的模型成功地预测了模拟中观察到的粘度比的影响。从这项研究的结果是有用的芯片上的实验室技术的设计和制造的微流控乳液，有必要知道系统参数如何影响液滴大小。
2017-03-02 physics.flu-dyn
Microfluidics Generation of Millimeter-sized Matrigel Droplets
本文开发了基于台式CO2激光切割的共流微流控系统，用于生成毫米级Matrigel水凝胶液滴，并验证了细胞封装与7天活力。
2023-05-30 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Microfluidic front dynamic for the characterization of pumps for long-term autonomous microsystems
本文研究了聚合物微泵在自供电微流体系统中的长期流量控制能力，通过校准曲线表征其驱动时间与脱气时间、有效表面积和空气恢复速率的关系，首次实现了持续23小时、推进流体前沿1.8米的长期自供电微系统。
2024-06-11 physics.flu-dyn
Fast acoustic tweezers for the two-dimensional manipulation of individual particles in microfluidic channels
本文提出了一种微流体装置，实现了驻波表面声波，以处理单细胞，液滴，一般颗粒。通过驻波阵列的二维漂移，使用两个超声发射器在其谐振周围的轻微频率调制，以非常受控的方式移动颗粒。这些声学镊子允许任何类型的运动速度高达几个10毫米/秒，而设备的透明度是适合光学研究。自动化的可能性为芯片实验室细胞分选仪的发展提供了关键的一步，它应该在生物学、化学和工程领域得到应用。
2012-11-13 physics.class-ph physics.flu-dyn
Non-inertial hydrodynamics of manipulating particle transport
Grainger College of Engineering（格兰杰工程学院）
研究非惯性流体中微流体操控粒子轨迹的机制，探讨障碍物对粒子轨迹影响的物理原理，揭示流体动力学效应在粒子偏转中的作用。
2026-03-16 physics.flu-dyn
Frequency-specific, valveless flow control in insect-mimetic microfluidic devices
廉价的便携式芯片实验室设备将彻底改变环境监测和全球健康等领域，但目前的微流体芯片与广泛的芯片外硬件相连。然而，昆虫是自给自足的，并且使用基本上未探索的方法熟练地在微观尺度上操纵流体。我们制造了一系列微流体装置，模拟同步辐射成像观察到的昆虫呼吸运动学的关键特征，包括响应于单个波动压力信号的多个呼吸道部分的塌陷。在一个单通道装置中，流速和方向可以仅通过致动频率来控制，而不使用内部阀。此外，我们制造了多通道芯片，其各个通道选择性地响应（以可变的、依赖于频率的流速打开，或关闭）单个全局致动频率。我们的研究结果表明，昆虫模拟设计有可能大大降低微流控芯片的驱动开销，昆虫呼吸系统可能与阻抗失配泵共享功能。
2020-10-15 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Feedback control of inertial microfluidics using axial control forces
惯性微流体是一种很有前途的工具，许多实验室上的芯片应用。雷诺数大于1的通道流中的颗粒在方形和矩形通道截面中经历横向流线迁移到一组离散的平衡位置。这种效应已被广泛用于颗粒分选和颗粒特性分析。使用格子玻尔兹曼方法，我们确定在正方形和矩形截面的平衡位置和分类不同的雷诺数，颗粒尺寸和通道纵横比的稳定性类型。因此，我们的研究结果有助于设计用于颗粒分选的微流体通道。此外，我们演示了如何轴向控制力，这减慢了粒子，移动稳定的平衡位置向通道中心。最后，粒子然后停留在中心线上的力超过阈值。这种效果是敏感的颗粒尺寸和通道雷诺数，因此建议一种有效的方法，颗粒分离。结合滞后反馈方案，我们甚至可以增加颗粒吞吐量。
2014-02-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Spontaneous oscillations and negative-conductance transitions in microfluidic networks
微流控系统中的流动倾向于线性表现，这对设计集成的流动控制方案以执行复杂的流体处理任务提出了挑战。这种障碍导致使用许多外部控制设备来操纵流，从而阻碍了芯片实验室技术的潜在可扩展性和便携性。在这里，我们设计了一个微流体网络表现出非线性流动动力学，使新的机制，芯片上的流量控制。该网络表现出振荡输出模式，电流状态，滞后，信号放大，和负电导转换，所有不依赖于专用的外部控制硬件，可移动部件，灵活的组件，或振荡输入。这些动态产生于层流中的非线性流体惯性效应，我们通过网络几何形状的设计来放大和利用这些效应。我们认为，这些结果，这是由流体动力学模拟和理论建模的支持，有可能激发新的内置控制功能，如片上定时和同步流模式的发展。
2020-06-16 nlin.PS physics.flu-dyn
Integrated membrane-free thermal flow sensor for silicon-on-glass microfluidics
芯片实验室（Lab-on-a-chip，缩写为LAB）是新一代便携式分析系统的基础。微流控技术允许在微流控芯片上操纵超低流量的液体试剂和多步反应，这需要一个强大而精确的仪器来控制芯片上的液体流量。然而，市售的流量计似乎是一个独立的选择，增加了用于连接到芯片的管的显著死体积。此外，它们中的大多数不能在与微流体通道相同的技术周期内制造。在这里，我们报告的无膜微流体热流量传感器（MTFS），可以集成到硅玻璃微流控芯片与微通道拓扑结构。我们提出了一种无膜设计与薄膜热阻敏感元件隔离的微流体通道和100毫米晶圆硅玻璃制造路线。它确保MTFS与腐蚀性液体的兼容性，这对于生物应用至关重要。提出了最佳灵敏度和测量范围的MTFS设计规则。本文介绍了一种热敏电阻元件的自动校准方法。使用参考科里奥利流量传感器对装置参数进行了数百小时的实验测试，证明在2-30 μ L/min的范围内相对流量误差小于5%，以及亚秒级时间响应。
2022-12-21 cs.SY eess.SY physics.flu-dyn
Controlled Electrokinetic Particle Manipulation using Paper-and-Pencil Microfluidics
介电泳是一种非常有前途的芯片上的粒子操作技术。在这项研究中，我们展示了一个简单的纸和笔为基础的设备上的聚苯乙烯粒子的控制mannuvering通过利用基本的电动力学与介电泳（DEP）力的主要贡献。与其他报道的DEP设备相反，本配置不需要用于产生非均匀电场的小型实验室模块，这是DEP设置中的基本要求。我们证明了在100 V/cm的外加场强下，正介电泳（pDEP）可以捕获1 μ m大小的聚苯乙烯颗粒。此外，捕获方向的切换（正到负介电电泳）可以简单地通过操纵介质的电导率来实现。我们进一步提出了有效的颗粒捕集的最佳pH范围。这些结果对设计用于资源有限环境的基于芯片上细胞的护理点诊断设备具有重要意义。
2018-11-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Joule Heating-Induced Particle Manipulation on a Microfluidic Chip
我们开发了一种电动技术，通过独家利用固有的焦耳热效应，连续操纵胶体颗粒以节能的方式集中成图案化的颗粒群。我们的技术利用了由于非均匀电场和热场之间的相互作用而产生的交流涡流现象。高度不均匀的电场通过产生从集中点热点沿径向方向变化的空间变化的焦耳热来产生急剧的温度梯度。急剧的温度梯度会引起电特性的局部变化，进而产生强的涡旋。所施加的流体流动将胶体颗粒带到热点的中心并使颗粒聚集。此外，可以在低功率预算中形成焦耳加热点的操纵结构、不同图案的颗粒聚集，因此，开辟了片上颗粒操纵过程的新领域，而不需要高度聚焦的激光束，高度聚焦的激光束非常复杂并且需要更高的功率预算。这种技术可以在芯片实验室设备中使用，以操纵包括生物细胞在内的粒子群。
2019-01-28 physics.app-ph physics.flu-dyn
Optimized Designs for High-Efficiency Particle Sorting in Serpentine Microfluidic Channels
本研究数值分析了对称蛇形微通道中的颗粒迁移与被动分选，利用惯性力和离心力实现了超95%分离效率和超99%吞吐量，并开发了预测最小通道环数的新颖标度框架，为微流控系统设计提供了重要指导。
2025-09-13 physics.flu-dyn physics.med-ph
Voltage-Induced Buckling of Dielectric Films using Fluid Electrodes
对微流体通道内不同流动的精确和可集成控制对于进一步开发芯片实验室和完全集成的自适应结构至关重要。在这里，我们介绍了一个灵活的微致动器，在一个高的变形率，并改变下游的流体流动。微致动器由一个封闭的，薄的，介电膜，当暴露于通过导电流体电极提供的电压时，介电膜进入微流体通道。我们估计的临界屈曲电压，并表征屈曲形状的致动器。最后，我们研究了频率，流量和压差对屈曲结构和流体流动的影响。这些结果表明，使用流体电极的嵌入式微结构的电压诱导屈曲提供了一种用于高速衰减微流体流的手段。
2016-01-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
Nanovortex-driven all-dielectric optical diffusion boosting and sorting concept for lab-on-a-chip platforms
不断发展的微流体领域需要在微米和纳米尺度上对流体流动进行精确和灵活的控制。当前的限制需要各种可控组件，用于在封闭的微室和微反应器内执行不同的操作。在这种情况下，新的纳米光子方法可以显着增强现有的能力，并通过微调光-物质相互作用机制提供新的功能。在这里，我们提出了一种新颖的设计，具有双重功能的芯片：增强的光学驱动的粒子扩散和纳米粒子分选。我们的方法是基于一个专门设计的高折射率介电纳米天线，这大大提高了自旋轨道角动量转移从入射激光束的散射场。因此，形成了异常紧凑的亚波长光学纳米涡旋，并通过卷曲自旋光学力和辐射压力之间的有效相互作用驱动特殊等离子体纳米粒子的螺旋运动。纳米涡旋的大小是一个数量级小于传统的基于光束的方法提供的。纳米颗粒介导纳米限制的流体运动，使得能够进行纳米混合，而不需要在微室内移动块体元件。此外，金纳米粒子的精确分选，需要芯片上的分离和过滤，可以实现通过利用卷曲的光学力的纳米物体的大小的非平凡的依赖。总而言之，这项研究介绍了一个多功能的平台，用于进一步小型化无移动部件，光学驱动的微流控芯片，用于快速化学合成和分析，制备乳液，或产生化学梯度与纳米粒子，病毒或生物分子的光控导航。
2019-10-24 physics.app-ph physics.flu-dyn physics.optics
Coalescence of immersed droplets on a substrate
基板上的液滴的动力学对微流体系统具有强烈的影响，从市售的芯片实验室系统到开放式微流体的最新发展。微液滴和纳米液滴在基底上的聚结已经被广泛研究，但在以前的研究中，重点一直是界面运动。在这里，我们使用计算机模拟研究聚结液滴浸没在另一种液体中，在惯性占主导地位的制度，也调查液滴的内部流场。结果表明，该动力学性质类似于空气中的聚结，具有相同的自相似增长规律。我们在这里指出，在90度的液滴的缩放参数的模糊性，这表明自己的速度。我们发现，液滴的接触角低于90度表现出自相似的速度场，并确定了相应的标度律。然而，对于90度的下降，它表明，速度场有一个更复杂的结构，超出了通常的缩放参数调用聚结。
2017-09-22 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Regulating Aggregation of Colloidal Particles in an Electro-Osmotic Micropump
通过微流体通道的不受限制的颗粒输送对于包括芯片实验室设备在内的广泛应用至关重要。在这篇文章中，我们使用视频显微镜研究了在盐梯度存在下，胶体颗粒在微米级二氧化硅通道开口处的电渗聚集。颗粒聚集最终导致通道堵塞，这可以通过施加的电势的时间调节反转来解除。我们通过斯托克斯-泊松-能斯特-普朗克方程在一个几何形状，近似真实的样品数值模拟我们的系统。这使我们能够识别由电场和盐梯度诱导的运输过程，并提供其平衡导致聚集的证据。我们进一步实验证明，通过通道的胶体的净流量可以通过施加具有适当调谐的占空比的方波电势来实现。我们的研究结果有助于指导微流体和纳米流体泵的设计，允许受控的颗粒传输，并为超滤中的防污提供新的见解。
2021-03-31 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
