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研究人员开发出基于光学的纳米混合器,有望开辟微流控广阔应用
2020-05-10 09:10:33   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,如今,来自俄罗斯和捷克的研究人员团队通过数值实验提出了可行的解决方案:利用纳米粒子和光的辐射压创建一个“纳米混合器”,可以加快通道中原本缓慢扩散的混合速度。

小小的微流控在化学和制药行业开辟了广阔的应用前景,允许创建“芯片实验室”平台以进行实验和药物开发。但是,当科学家们以越来越小的长度和时间尺度来审视这些过程时,在比人的头发还细地多的微通道内快速有效地混合不同的流体就变得异常棘手。这一问题的存在使得该平台很难深入应用于化学工程某些潜在富有成效、高反应率的前沿研究领域。

据麦姆斯咨询报道,如今,来自俄罗斯和捷克的研究人员团队通过数值实验提出了可行的解决方案:利用纳米粒子和光的辐射压创建一个“纳米混合器”,可以加快通道中原本缓慢扩散的混合速度。研究人员的计算结果表面,所提出的纳米混合器可以以比其他在芯片实验室平台上混合方法小一个数量级的长度尺度运行。研究团队认为,该系统不仅可以在很短的长度和时间范围内混合芯片上的试剂,还可以作为根据尺寸对某些纳米粒子进行分类的系统。

来自俄罗斯和捷克的科学家团队提出了使用硅纳米立方体天线的方案

来自俄罗斯和捷克的科学家团队提出了使用硅纳米立方体天线的方案,悬浮的金纳米粒子和入射的圆偏振光在微通道内混合流体(上图)和径向分选的纳米粒子(下图)。

混合问题

在微通道中混合不同物质的困难主要源于基本的流体动力学。推动流体通过极其狭窄的通道(如微流体通道)意味着层流、片状流动和非常低的雷诺数。换言之,意味着粘性力趋于主导,混合将主要通过扩散以超慢的速率进行。

微流控领域已经提出了多种主动混合的方法,以减少所谓的混合长度,从而提高实验的反应速率。这些方案包括使用超声波、电流体动力学和磁流体动力学系统来稍微摇晃流体,从而在微通道内更快地混合流体。

激光携带的辐射压大到足以移动微米级颗粒,也被用于在微通道中制造局部混合碗。例如,像贝塞尔光束这样可以同时具有线性和角动量的成形光束,可以直接用于创建微小的光学涡流,它可以搅动通道中的颗粒,从而产生能够增强流体混合的微漩涡。

变得更小、更快

然而,即便是这些方法也只能在光波长范围内操作。理想状况下,化学家们希望能够在更小长度尺度的芯片上实现局部流体混合,这将使实验以更快的反应速度进行。

为了实现目标,由俄罗斯圣光机大学(ITMO University)Alexander Shalin领导的新研究团队使用计算机来模拟可以在微通道中以纳米尺度运行的潜在混合方案。他们的模拟系统基于新兴领域——全介电纳米光子学。他们尤其专注于使用所谓的Mie共振来局部增强和散射介电纳米粒子周围亚波长尺度的光场,就像等离子共振可以增强金属纳米粒子周围的电场一样。

在俄罗斯和捷克团队的方案中,微通道底部每侧被放置了约200 nm的硅立方,其中包含要混合的试剂和半径约40 nm的悬浮化学惰性金纳米粒子。然后将圆偏振的绿色激光束照射到纳米立方体上。

电场力的数值模拟

用作电介质纳米天线的立方体将圆偏振入射光的部分自旋角动量转换为散射光场中的轨道角动量。散射光在周围流体中形成一个光学涡流场,辐射压力推动悬浮的金纳米粒子前进,使它们在内部旋转并混合流体。

在团队的设置中,将纳米立方体充当天线,将入射光的部分自旋角动量转换为散射场中的轨道角动量,从而产生光学涡旋。此图显示了数值实验中散射坡印亭矢量(Poynting vector)横向分量的方向和相对大小。

亚波长混合尺度

该团队的模拟表明,这种装置中的小型混合碗直径只有几百纳米,大约是照明波长的一半。这比使用贝塞尔光束直接产生相同类型的混合时所达到的长度尺度小一个数量级。

通过翻转入射光中的圆偏振传感,可以快速反转混合方向。此外,介电立方体天线还可以用作一种纳米级“分选帽”,以直接在微流控芯片内部分离不同大小的金纳米粒子。

目前为止,这些功能只能在计算机模拟中实现,该小组正在研究如何在物理实验中实现所提出的概念方案。一旦付诸现实,科学家们相信使用当前的微流控芯片生产工艺即可轻松实现该方案,有望在很短的长度和时间尺度内为微流控领域开辟令人兴奋的前景,例如光控制的混合,甚至是芯片上的定向流体导航。

除了来自圣光机大学的研究人员,该研究还包括来自俄罗斯科学院(Russian Academy of Sciences)、圣彼得堡国立电工大学(Electrotechnical University)、俄罗斯COMSOL有限责任公司和捷克科学院(Czech Academy of Sciences)的科学家们。

论文链接:https://doi.org/10.1002/advs.201903049

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