小小的微流控在化學(xué)和制藥行業(yè)開辟了廣闊的應(yīng)用前景，允許創(chuàng)建“芯片實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和藥物開發(fā)。但是，當(dāng)科學(xué)家們以越來越小的長度和時(shí)間尺度來審視這些過程時(shí)，在比人的頭發(fā)還細(xì)地多的微通道內(nèi)快速有效地混合不同的流體就變得異常棘手。這一問題的存在使得該平臺(tái)很難深入應(yīng)用于化學(xué)工程某些潛在富有成效、高反應(yīng)率的前沿研究領(lǐng)域。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，如今，來自俄羅斯和捷克的研究人員團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)提出了可行的解決方案：利用納米粒子和光的輻射壓創(chuàng)建一個(gè)“納米混合器”，可以加快通道中原本緩慢擴(kuò)散的混合速度。研究人員的計(jì)算結(jié)果表面，所提出的納米混合器可以以比其他在芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上混合方法小一個(gè)數(shù)量級(jí)的長度尺度運(yùn)行。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該系統(tǒng)不僅可以在很短的長度和時(shí)間范圍內(nèi)混合芯片上的試劑，還可以作為根據(jù)尺寸對(duì)某些納米粒子進(jìn)行分類的系統(tǒng)。

來自俄羅斯和捷克的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了使用硅納米立方體天線的方案，懸浮的金納米粒子和入射的圓偏振光在微通道內(nèi)混合流體（上圖）和徑向分選的納米粒子（下圖）。

混合問題

在微通道中混合不同物質(zhì)的困難主要源于基本的流體動(dòng)力學(xué)。推動(dòng)流體通過極其狹窄的通道（如微流體通道）意味著層流、片狀流動(dòng)和非常低的雷諾數(shù)。換言之，意味著粘性力趨于主導(dǎo)，混合將主要通過擴(kuò)散以超慢的速率進(jìn)行。

微流控領(lǐng)域已經(jīng)提出了多種主動(dòng)混合的方法，以減少所謂的混合長度，從而提高實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)速率。這些方案包括使用超聲波、電流體動(dòng)力學(xué)和磁流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來稍微搖晃流體，從而在微通道內(nèi)更快地混合流體。

激光攜帶的輻射壓大到足以移動(dòng)微米級(jí)顆粒，也被用于在微通道中制造局部混合碗。例如，像貝塞爾光束這樣可以同時(shí)具有線性和角動(dòng)量的成形光束，可以直接用于創(chuàng)建微小的光學(xué)渦流，它可以攪動(dòng)通道中的顆粒，從而產(chǎn)生能夠增強(qiáng)流體混合的微漩渦。

變得更小、更快

然而，即便是這些方法也只能在光波長范圍內(nèi)操作。理想狀況下，化學(xué)家們希望能夠在更小長度尺度的芯片上實(shí)現(xiàn)局部流體混合，這將使實(shí)驗(yàn)以更快的反應(yīng)速度進(jìn)行。

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，由俄羅斯圣光機(jī)大學(xué)（ITMO University）Alexander Shalin領(lǐng)導(dǎo)的新研究團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)來模擬可以在微通道中以納米尺度運(yùn)行的潛在混合方案。他們的模擬系統(tǒng)基于新興領(lǐng)域——全介電納米光子學(xué)。他們尤其專注于使用所謂的Mie共振來局部增強(qiáng)和散射介電納米粒子周圍亞波長尺度的光場，就像等離子共振可以增強(qiáng)金屬納米粒子周圍的電場一樣。

在俄羅斯和捷克團(tuán)隊(duì)的方案中，微通道底部每側(cè)被放置了約200 nm的硅立方，其中包含要混合的試劑和半徑約40 nm的懸浮化學(xué)惰性金納米粒子。然后將圓偏振的綠色激光束照射到納米立方體上。

電場力的數(shù)值模擬

用作電介質(zhì)納米天線的立方體將圓偏振入射光的部分自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)換為散射光場中的軌道角動(dòng)量。散射光在周圍流體中形成一個(gè)光學(xué)渦流場，輻射壓力推動(dòng)懸浮的金納米粒子前進(jìn)，使它們?cè)趦?nèi)部旋轉(zhuǎn)并混合流體。

在團(tuán)隊(duì)的設(shè)置中，將納米立方體充當(dāng)天線，將入射光的部分自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)換為散射場中的軌道角動(dòng)量，從而產(chǎn)生光學(xué)渦旋。此圖顯示了數(shù)值實(shí)驗(yàn)中散射坡印亭矢量（Poynting vector）橫向分量的方向和相對(duì)大小。

亞波長混合尺度

該團(tuán)隊(duì)的模擬表明，這種裝置中的小型混合碗直徑只有幾百納米，大約是照明波長的一半。這比使用貝塞爾光束直接產(chǎn)生相同類型的混合時(shí)所達(dá)到的長度尺度小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

通過翻轉(zhuǎn)入射光中的圓偏振傳感，可以快速反轉(zhuǎn)混合方向。此外，介電立方體天線還可以用作一種納米級(jí)“分選帽”，以直接在微流控芯片內(nèi)部分離不同大小的金納米粒子。

目前為止，這些功能只能在計(jì)算機(jī)模擬中實(shí)現(xiàn)，該小組正在研究如何在物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)所提出的概念方案。一旦付諸現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家們相信使用當(dāng)前的微流控芯片生產(chǎn)工藝即可輕松實(shí)現(xiàn)該方案，有望在很短的長度和時(shí)間尺度內(nèi)為微流控領(lǐng)域開辟令人興奮的前景，例如光控制的混合，甚至是芯片上的定向流體導(dǎo)航。

除了來自圣光機(jī)大學(xué)的研究人員，該研究還包括來自俄羅斯科學(xué)院（Russian Academy of Sciences）、圣彼得堡國立電工大學(xué)（Electrotechnical University）、俄羅斯COMSOL有限責(zé)任公司和捷克科學(xué)院（Czech Academy of Sciences）的科學(xué)家們。

原文標(biāo)題：Nanovortex‐Driven All‐Dielectric Optical Diffusion Boosting and Sorting Concept for Lab‐on‐a‐Chip Platforms

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.201903049

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