磁性液體彈珠的分離、合併、組裝及輸運特性研究

《磁性液體彈珠的分離、合併、組裝及輸運特性研究》是依託昆明理工大學，由何永清擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：磁性液體彈珠的分離、合併、組裝及輸運特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：何永清
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

本項目基於磁性液體彈珠在微流控技術、晶片實驗室及生物醫學工程方面的潛在套用，提煉出其中的基礎科學問題，實驗研究和理論分析磁場作用下磁性液體彈珠分離、合併、組裝及輸運特性，定量研究磁場強度、方向、梯度等參數對磁珠動態特性的影響。本選題既有創新性和學術價值，也有工程套用價值。.本項目以實驗研究為主，採用理論計算及數值方法進行對比。使用可視化手段觀測磁場下磁珠分離、合併及組裝過程，揭示其發生機理；搭建磁性液體彈珠輸運特性研究平台，分別對轉向、加速、折回等平面二維運動特性進行定量研究。進一步展開磁珠爬坡實驗，研究磁珠的滾動特性。構建表面顆粒層的彈性模型，並與磁性液體模型進行整合，考慮磁性液體微觀結構對巨觀性能的影響，引入磁各向異性參數修正平衡磁化理論。求解Maxwell方程獲得磁場分布，引入磁力項，修正N-S方程，獲得單個磁珠速度、軌跡等參數，通過與實驗結果對比，發展和建立新的理論。

結題摘要

液體彈珠由少許的微米或納米疏水顆粒包裹在液滴上形成，具有不潤濕性，是一種不粘連體系，其接觸角接近180°，具有很小的滾動角和移動阻力。表面顆粒層的存在阻礙了液滴與基底直接接觸，顆粒與固體壁面或液面之間存在空氣墊，因此液體彈珠能靜置於固體表面或漂浮於水面上，並且在移動的過程中不會發生泄漏。液體彈珠可以儲存微量液體，類似於微小容器，可以用作微型反應器、微生物或細胞的培養、水污染及氣體檢驗等。磁液彈珠則是利用疏水粉末包裹磁性液滴形成的，在磁場下顯示磁性，利用磁場能夠實現非接觸式磁操控。鑒於磁液彈珠的特性，本課題提出了利用磁液彈珠作為微質量液體定向輸送的載體，並利用磁場對其進行操控。 本課題對磁性液體彈珠的分離、合併、組裝及輸運特性進行了研究。首先通過電磁場理論求解磁液彈珠的磁體積力。隨後，將液體彈珠浸沒於基載液部分看作為球缺體，建立了液體彈珠浮在基載液表面上的靜力學平衡方程。同時製備了不同工質不同體積的液體彈珠並使用微距相機拍攝其在固體壁面上的形態，測量其形狀、接觸角和表面張力等相關參數。然後，分別建立液體彈珠靜置在固體壁面和漂浮在液面上的動力模型。在固體壁面上的液體彈珠由於粘性耗散存在，使得液體彈珠接觸角滯後，並分析在磁場下滾動的磁體彈珠的速度與磁場強度、磁液彈珠表面張力等之間的關係。從力學角度出發，分析液體彈珠浮動機理，液體彈珠的重力與浮力和表面張力相平衡。劇烈運動的磁液彈珠的接觸角發生變化並求解液面對液體彈珠的阻力公式，同時通過建立模型計算出浮動液體彈珠的速度。最後通過實驗分別測量固體壁面上、斜面上以及漂浮於液面上的磁液彈珠的速度，討論分析磁液彈珠與磁場強度的關係。通過實驗與理論相結合，對三種情況下的磁液彈珠進行比較。驗證了利用磁場可以對固體壁面上以及漂浮在液面上的磁液彈珠進行非接觸式磁操控，為今後使用磁液彈珠作為載體定向輸送微質量液體提供了相應的理論和實驗基礎。