从龙卷风到排水的水池，旋涡（或称作涡流）是日常生活中常见的流体运动现象。高速流动的流体在遇到障碍物后就会在障碍物后形成涡流，著名的“卡门涡街”就是这样一种现象。卡门涡街出现的条件一般是雷诺系数大于50。雷诺系数与流体的速度和流动通道的特征长度都成正比。而在微流体器件中，通道的特征长度往往只有几十微米，这使得微流体器件中的雷诺系数通常远小于1 。在这种条件下，流体是一种层流状态，涡流不会自发形成。所以在微流体器件中构造涡流具有极大的挑战性。有人通过把流速极大提高从而增大雷诺系数的方式在微流通道中构造涡流，另外的方法可以通过外加声场或电场的方式提供额外的力使流体产生涡流。最近中科院化学研究所的宋延林研究员团队提出了一种新方法：利用流体自身的马兰格尼（Marangoni）效应而无需借助外场作用，实现了在低雷诺数下（即蠕动流）构造自驱动微涡流的方法。
图1. 卡门涡街。
马兰格尼效应由水-空气界面的表面张力梯度引起，能够在流体表面产生切向的力。在这种表面力作用下，在蠕动流状态下流体也可以产生旋涡流。该工作通过蒸发诱导马兰格尼流的形成，进而形成一个自驱动的涡流体系。其中通过结构设计而产生一个不均匀的蒸发场，在液体表面形成不均匀的表面活性剂浓度分布，进而形成马兰格尼流（如图2所示）。
图2. 蒸发诱导的自驱动涡流的实验方法。
在实验中，表面活性剂溶液被夹在微结构硅衬底和玻璃盖之间。因此，流体被限制在一个准二维的薄层空间中，流体界面变得狭长。在这种情况下，马兰格尼流表现为一种浅层表面流动行为。随着表面活性剂浓度的增加，马兰格尼流的对流距离随之增大。在长距离对流的基础上，通过微结构调控流体界面形成一些特定的形状，就能将表面流转化为涡流。涡流的形态取决于流体界面的形状和流体中的微结构排列。图3给出了一些典型的涡流图案。
图3. 通过微结构调控流体界面构造多样的涡流形貌。
他们利用COMSOL数值仿真软件进行了流体动力学模拟，可以精确地预测结构中涡流的模式，从而高效地设计涡流图案。
图4. 通过COMSOL流体力学仿真预测涡流图案。
这种微米级的涡流可以成为微尺度下操控物体的一种有效工具。在本工作中，他们实现了在微米尺度旋转微型物体，并实现了具有粒径筛选功能的微米颗粒的输运和富集，使流体中的颗粒富集在特定的涡流之中。这种方法有望实现分离和富集血液中的细胞成分，在微流控领域中有广泛的应用前景。
图5. 涡流实现旋转微型物体和颗粒富集。
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章第一作者中科院化学所博士生蔡哲仁，通讯作者为中科院化学所宋延林研究员和加拿大西安大略大学黄占东博士，通讯单位中科院化学所。
论文信息：
Evaporation Induced Spontaneous Micro‐Vortexes via Engineering Marangoni Flow
https://doi.org/10.1002/anie.202008477
本文来源：高分子科技
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