突破微观粒子旋转操控的物理瓶颈，为生物微系统中的颗粒调控开辟新路径！
近日，由杜克大学牵头，哈佛医学院、北卡罗来纳州立大学、与宾汉姆顿大学组成的合作研究团队在声流控领域取得重要进展。研究团队创新性地提出了一种“声流液滴旋转操控方法”，通过表面声波激发液滴内部流场，引起离心力与表面张力相互作用，在液滴赤道区域形成旋转斯托克斯波。该水波与液滴内部声流耦合，驱动粒子沿着可控的三维螺旋轨迹上运动，实现了复杂旋转在微尺度液滴内的精准控制。该研究揭示了旋转斯托克斯漂移的形成机制，并构建了稳定可调的三维力场，为液滴内力学控制提供了全新平台。该成果展示了声控三维旋转流在微流控操控、生化反应调控及可编程粒子运输方面的广阔应用前景，近期发表于国际权威期刊《Science Advances》。
在微流控与生物医学微系统中，涡流广泛存在于多种关键过程，如微液滴混合、纳米级物质传输、以及靶向药物递送等。这些旋转现象常涉及复杂的三维动态系统，对精确调控与实时观测提出了更高要求。然而，基于当前技术在微尺度液滴系统中实现稳定、可视化且可调控的涡流依然面临诸多瓶颈：
旋转运动观测难度高：在微观尺度中，传统成像手段难以捕捉高速、三维轨迹的粒子运动路径，限制了对旋转流体动力学的深入理解。
缺乏可调的旋转驱动机制：现有旋转流多依赖外部旋转器件或磁控方式，系统复杂且控制精度有限，难以在封闭液滴环境中实现精细调节。
旋转涡流与粒子轨迹耦合机制不明确：旋转流场对微粒轨迹的具体调控路径尚缺乏系统性研究，限制了在药物递送等应用中精确控制的实现。
这一平台成功突破了微尺度旋转流控制中的可视化、结构调控与动态耦合等核心瓶颈，为液滴微流控系统中实现精准混合、可编程输运与多相生化处理提供了全新路径。该研究成果近期发表于《Science Advances》。
图1. 声流驱动旋转液滴系统及其中粒子运动轨迹。(A) 示意图展示声波与液体相互作用的机制以及旋转Stokes波的产生。在无旋转状态下，液滴内的粒子沿着涡旋流线运动；在旋转状态下，叠加的螺旋流驱动粒子沿倾斜的螺旋轨迹运动。(B) 液滴的侧视示意图，显示内部流场的发展过程以及向旋转状态的演变。(C) 实验测量（左图）与模拟（右图）得到的三维粒子轨迹可视化，及其二维投影。这些轨迹以彩虹色编码，显示在旋转斯托克斯波与涡旋流共同作用下，单个粒子的运动路径。轨迹展现了不同波—液相互作用所固有的调控能力，体现了旋转液滴内部复杂的动态行为。
声波驱动下的液滴旋转流场构建与三维粒子轨迹调控
该工作深入探究了表面声波在液滴中激发液滴旋转及内部涡流的物理机制，构建了旋转斯托克斯波与声流耦合的内部流场模型，并结合粒子受力分析，实现了声波驱动下三维粒子轨迹的精确调控。研究表明，该旋转流场的形成及粒子运动状态可通过液体表面张力、液滴半径及超声波振幅等多个参数灵活调节。实验与仿真结果进一步揭示，液滴内部的流场在声波作用下可由传统的涡旋流转变为具有周期性结构的旋转波流场，并由此驱动粒子沿稳定可控的三维空间轨迹运动。该方法为液滴系统中的高维粒子操控提供了新策略，为实现精准混合、定向输运与时空动态控制等应用奠定了重要基础。研究团队实现了以下关键技术突破：
三维粒子轨道构建机制：首次在封闭液滴中观察并重建出受旋转斯托克斯波调控的粒子三维螺旋轨迹，轨迹呈现稳定、可控的空间周期性，打破了传统声流控手段主要限于二维轨道的局限。
旋转漂移与轨道可视化：借助荧光跟踪与三维重建手段，研究实现了粒子在旋转斯托克斯波作用下的旋转漂移动态捕捉，清晰揭示了波流耦合对粒子路径的调控。
声场力分布与力场建模：结合实验与模拟，研究重建了液滴内部的三维力场分布，发现内部呈现中心漏斗状力阱结构，不同高度平面存在显著力梯度变化，为后续粒子聚集、定向输运等操作提供可调物理基础。
图2. 旋转运动与旋转斯托克斯漂移现象分析。(A) 液滴旋转时产生的旋转斯托克斯波示意图。该波可以用正弦函数表示，其中w表示液滴某一位置处随时间变化的波动幅值，a表示波的幅值，r表示径向距离，θ为目标位置与x正方向之间的角度，k表示波数，ω为角频率，t表示时间。(B) 随时间变化的旋转斯托克斯波幅，及两个关键表征参数：频率f与幅值a。(C)影响波频率的关键因素为液滴半径和液体表面张力。CMM为细胞培养液；误差条表示三次独立测量的标准差。(D)影响波幅值的关键因素为液滴半径与输入电压（Vpp 为峰峰值）。(E) 两种经典流体运动分析方法——欧拉法与拉格朗日法的示意图。(F) 拉格朗日运动观察：一个500 μm的颗粒放置在液面上，其运动反映了旋转波中的斯托克斯漂移。(G) 显微图像显示旋转斯托克斯漂移运动的放大细节。(H) 叠加图像展示漂浮粒子完成一次圆形路径的漂移过程。比例尺：1 mm。(I)粒子随时间变化的x和y位置图。曲线显示粒子沿圆形路径运动，同时曲线上的微小振动揭示了漂移现象。(J) 波动频率与旋转斯托克斯漂移频率之间的差异。
图3. 旋转液滴内部力场分析。(A) 实验测量得到的三维力场，显示出中心呈漏斗状的等力轮廓线，不同水平面上存在力的变化。右上角插图：漏斗区域及其力梯度的放大细节。(B) 顶部水平面上的二维力梯度图。(C) 垂直中间截面上的力梯度图。(D)中间垂直平面上，沿三条不同垂直线（x = −2、−1.1 和 0 mm）测得的流体力作用（针对1微米粒子测得，力的大小正比于粒子尺寸）。(E) 中心垂直平面上，不同深度（z = −1.4、−1.9 和 −2.5 mm）三条水平线上的流体力分布。
本研究提出的操控平台通过表面声波驱动液滴产生可控旋转流场，形成沿液滴赤道传播的旋转斯托克斯波，进而控制悬浮粒子沿三维螺旋轨迹运动并向中心聚集。这一声—流—粒多重耦合机制不仅实现了液滴内部动态过程的高精度调控，也为多领域应用开辟了广阔前景：
- 在生物与生物医学领域，该平台可实现细胞、外泌体、药物载体等微粒在液滴中的非接触式富集与分离，有望替代传统超速离心等复杂设备，推动纳米粒子纯化、即时诊断（POCT）与靶向递送路径控制等方向的发展。
- 从物理学角度，该系统构建了一个微尺度旋转系统模型，可模拟龙卷风涡旋、科里奥利力驱动输运等典型宏观旋转现象，为研究角动量传递、旋转波动与非线性流场耦合机制提供实验平台。同时，粒子的稳定三维轨道与轨迹周期调控能力为类电子轨道编码行为提供了物理类比框架，拓展了旋转动力学在不同尺度下的研究可能性。
- 在材料科学领域，液滴中形成的旋转斯托克斯波构建出空间与时间上具周期性的流体结构，可视为一种新型液滴态超材料。该类结构依赖声场诱导的流动拓扑而非材料成分本身，具备调控力学响应、声传播路径与局域波导行为的潜力，未来可用于动态软物质重构、柔性微波导或响应型功能材料的设计。
综上所述，该平台不仅实现了微液滴内部旋转流的主动驱动与三维粒子轨迹的精准可编程控制，还为多尺度系统中的粒子输运、复杂波流场构建与新型功能材料开发提供了重要物理基础和实验手段。未来，随着成像技术与材料集成能力的提升，该声流控旋转平台有望在生物医学微系统、基础物理研究与智能材料工程等多个方向持续拓展其影响力。
该研究由Chuyi Chen （杜克大学、北卡州立大学）和Yuyang Gu（杜克大学、宾汉姆顿大学）等共同作者完成，通讯作者为Tony Jun Huang（杜克大学）和Luke P. Lee（哈佛大学医学院）。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx0269
