微流控技術(shù)，尤其是液滴在微通道中的轉(zhuǎn)移，是現(xiàn)代微流體學(xué)和化學(xué)工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。這種技術(shù)在囊泡制備、液滴分離、化學(xué)合成、化學(xué)分析、藥物遞送等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，液滴在微尺度下的界面穿透是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谶@個(gè)尺度下，液滴的行為受到流體動(dòng)力學(xué)、界面張力和微通道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜影響。

目前跨界面的液滴轉(zhuǎn)移方法主要分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種。主動(dòng)方法依賴于外部場(chǎng)（如磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、光場(chǎng)）來控制液滴的運(yùn)動(dòng)，雖然可以實(shí)現(xiàn)精確控制，但對(duì)流體性質(zhì)的限制較多。被動(dòng)方法則利用微流控裝置的特殊配置或流體動(dòng)力學(xué)特性來實(shí)現(xiàn)液滴的轉(zhuǎn)移。

近來，一種利用界面張力誘導(dǎo)液滴在微流體界面上自發(fā)轉(zhuǎn)移的新方法受到越來越多的關(guān)注。在由兩個(gè)連續(xù)相和分散液滴形成平行流動(dòng)的三相系統(tǒng)中，液滴會(huì)在界面張力的作用下從一個(gè)連續(xù)相轉(zhuǎn)移到另一個(gè)連續(xù)相。這種方法由于液滴尺寸較小，液滴在界面上的轉(zhuǎn)移過程通常伴隨著徑向位移。但是，使用主動(dòng)或被動(dòng)方法都很難使液滴在微通道中徑向移動(dòng)。考慮到液體的流動(dòng)性，改變液滴與界面之間的相對(duì)位置和接觸模式在促進(jìn)液滴轉(zhuǎn)移方面具有巨大潛力。然而，關(guān)于液滴轉(zhuǎn)移機(jī)理的研究十分有限，也沒有提出準(zhǔn)確的流動(dòng)模式預(yù)測(cè)方程。

為解決上述問題，近期，來自天津大學(xué)的研究人員觀察了液滴轉(zhuǎn)移的新型流動(dòng)模式并研究了其機(jī)理，從而提出了確定液滴轉(zhuǎn)移臨界條件的精確預(yù)測(cè)方程。同時(shí)，還觀察到了液膜夾帶，這導(dǎo)致了水包油系統(tǒng)的形成。該研究為進(jìn)一步研究液滴傳遞機(jī)理提供了有價(jià)值的參考，并為其工業(yè)應(yīng)用提供了實(shí)際指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以“Spontaneous Transfer of Droplets across a Microfluidic Liquid–Liquid Interface”為題，發(fā)表在American Chemical Society期刊上。

具體而言，本研究首先構(gòu)建了一個(gè)三相微流控系統(tǒng)，用于觀察和分析液滴在微通道中的轉(zhuǎn)移行為。實(shí)驗(yàn)中使用的三相系統(tǒng)由兩種水相（富含三鈉檸檬酸鹽（TSC）的水相和富含聚乙二醇（PEG）的水相）以及一種油相（離子液體[BMIM]PF?）組成。微通道在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板上通過精密數(shù)控（CNC）機(jī)床加工而成。微通道由三個(gè)T型結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)部分的橫截面為矩形，高度和寬度均為0.4 mm。[BMIM]PF?和TSC分別從微通道頂部的兩個(gè)入口注入，而PEG從底部的入口注入。使用精密注射泵調(diào)節(jié)流體的流速，[BMIM]PF?的流速設(shè)置為0.5、1、1.5和2 mL/h，TSC和PEG的流速范圍分別為0.02 ~ 1.9 mL/h和1.5 ~ 3 mL/h。使用高速攝像機(jī)記錄液滴的行為，拍攝速度根據(jù)流模式的不同在500到5000 fps（幀每秒）之間變化。通過這些精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法和系統(tǒng)，研究人員能夠詳細(xì)觀察和分析液滴在微通道中的轉(zhuǎn)移過程，從而深入理解液滴與界面相互作用的機(jī)制，并提出了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于微流控技術(shù)的發(fā)展具有重要的科學(xué)和工程意義。

圖1微通道結(jié)構(gòu)示意圖，藍(lán)色箭頭表示微通道中流體的流動(dòng)方向

在該研究中，研究人員觀察到三種液滴轉(zhuǎn)移模式：完全轉(zhuǎn)移、部分轉(zhuǎn)移和非轉(zhuǎn)移。（1）完全轉(zhuǎn)移模式：當(dāng)PEG插塞長(zhǎng)度達(dá)到臨界值時(shí)，液滴可以完全穿過油水界面，形成水/水系統(tǒng)。此模式包括三個(gè)階段：變形階段、積累階段和轉(zhuǎn)移階段。（2）部分轉(zhuǎn)移模式：當(dāng)PEG插塞長(zhǎng)度不足臨界值時(shí)，液滴僅部分穿過界面，形成油/水/水系統(tǒng)。（3）非轉(zhuǎn)移模式：當(dāng)PEG插塞長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于臨界值時(shí)，液滴無法穿過界面。

圖2 液滴的三種轉(zhuǎn)移模式：完全轉(zhuǎn)移、部分轉(zhuǎn)移和非轉(zhuǎn)移

通過分析液滴在微通道中的變形、積累和轉(zhuǎn)移階段，該研究揭示了液滴與界面相互作用的復(fù)雜機(jī)制。其中，液膜阻力和驅(qū)動(dòng)力的相互作用是決定液滴能否成功穿越界面的關(guān)鍵因素。液膜的厚度、界面的接近速度以及液膜內(nèi)部的流動(dòng)都對(duì)液膜阻力有顯著影響。液膜的破裂是液滴成功穿越界面的關(guān)鍵步驟，這一過程受到界面張力和分子間作用力的共同影響。通過計(jì)算PEG液體塞的臨界長(zhǎng)度和液膜排空時(shí)間，可以預(yù)測(cè)不同流型。該研究給出了流動(dòng)模式預(yù)測(cè)方程。研究結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)方程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明方程的準(zhǔn)確性。此外，通過比較液滴在主通道中的停留時(shí)間和液膜排空時(shí)間，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同轉(zhuǎn)移模式。

圖3液滴轉(zhuǎn)移過程中液膜阻力和驅(qū)動(dòng)力的相互作用

此外，研究人員通過比較液滴在主通道的停留時(shí)間和液膜排水時(shí)間，繪制了流模式圖。該圖清晰地展示了不同流模式的邊界條件，為實(shí)驗(yàn)操作提供了直觀的指導(dǎo)。流動(dòng)模式圖的應(yīng)用可以幫助研究人員在實(shí)際的微流控實(shí)驗(yàn)中預(yù)測(cè)和控制液滴的轉(zhuǎn)移行為，從而實(shí)現(xiàn)更精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 流模式圖

綜上所述，該研究不僅觀察到了一種新的液滴轉(zhuǎn)移流動(dòng)模式，而且還提出了一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方程來確定液滴轉(zhuǎn)移的臨界條件。這對(duì)于理解和控制微流控系統(tǒng)中液滴的行為至關(guān)重要。此外，研究還觀察到了液膜的卷入現(xiàn)象，這導(dǎo)致了油包水包水（O/W/W）系統(tǒng)的形成，這對(duì)于開發(fā)新型微流控裝置和集成微流控系統(tǒng)具有重要的參考價(jià)值。

圖5W/W系統(tǒng)和O/W/W系統(tǒng)形成的流型圖

展望未來，研究人員可以從以下方面繼續(xù)優(yōu)化該研究。

（1）界面張力在微流控中的應(yīng)用：研究強(qiáng)調(diào)了界面張力在微流控系統(tǒng)中的重要性，提示未來研究可以進(jìn)一步探索界面張力在液滴操控、相分離和微反應(yīng)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

（2）多相系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化：通過觀察到的油包水包水（O/W/W）系統(tǒng)的形成，未來的研究可以探索更多復(fù)雜的多相微流控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及這些系統(tǒng)在化學(xué)反應(yīng)、生物工程和材料科學(xué)中的應(yīng)用。

（3）液滴轉(zhuǎn)移機(jī)制的深入理解：研究提出了液滴轉(zhuǎn)移的預(yù)測(cè)方程和流動(dòng)模式圖，這為未來研究提供了一個(gè)框架，以更深入地理解液滴在微通道中的流動(dòng)行為和動(dòng)力學(xué)。

（4）微流控裝置設(shè)計(jì)的改進(jìn)：論文中提出的預(yù)測(cè)工具和流模式圖可以指導(dǎo)微流控裝置的設(shè)計(jì)，幫助研究人員優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高液滴操控的精確度和效率。

（5）跨學(xué)科研究的促進(jìn)：液滴轉(zhuǎn)移的研究涉及流體力學(xué)、界面科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，鼓勵(lì)跨學(xué)科合作，以解決微流控技術(shù)中的復(fù)雜問題。

（6）實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)合：未來的研究可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬，以更全面地理解液滴在微通道中的轉(zhuǎn)移過程，特別是在復(fù)雜流體相和微結(jié)構(gòu)條件下的行為。

（7）實(shí)際應(yīng)用的拓展：研究結(jié)果為微流控技術(shù)在藥物遞送、生物檢測(cè)、化學(xué)合成等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路，鼓勵(lì)研究人員將這些基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

審核編輯：黃飛