流體在自然界無處不在，然而隨著其所處環(huán)境的特征長度變化，流體往往表現(xiàn)出截然不同的屬性。在多尺度上了解流體運(yùn)動的潛在機(jī)制并對其精確控制不僅對物理、化學(xué)、生物和工程等交叉學(xué)科研究具有重要意義，對新型流體產(chǎn)品的應(yīng)用研發(fā)也發(fā)揮著重要作用。
美國哈佛大學(xué)教授，美國科學(xué)院、美國工程院和美國藝術(shù)與科學(xué)院三院院士David A. Weitz 教授，長期從事流體領(lǐng)域有關(guān)研究，他是軟物質(zhì)、微流控和生物化工前沿領(lǐng)域的國際頂尖專家，已發(fā)表學(xué)術(shù)期刊論文700余篇，其中在Science、Nature、Cell期刊論文30余篇，總被引次數(shù)達(dá)90000次，獲授權(quán)專利70余項。在全球創(chuàng)建了10余家高技術(shù)公司，致力于推動生物、材料和工程等前沿技術(shù)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。
近日，浙江大學(xué)陳東研究員課題組與哈佛大學(xué)David A. Weitz教授課題組、中科院物理所葉方富研究員課題組合作在Materials Today Nano上發(fā)表綜述文章，重點(diǎn)關(guān)注從毫米到納米尺度上流體的流動特性，闡述多尺度上流體運(yùn)動的共性和差異，總結(jié)了對應(yīng)流體體系即毫流控、微流控和納流控器件的制備技術(shù)，并進(jìn)一步介紹了毫流控、微流控和納流控體系在材料科學(xué)、藥物篩選、生物醫(yī)學(xué)研究和仿生傳感等領(lǐng)域應(yīng)用，最后展望了毫流控、微流控和納流控體系的未來發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。
第一作者：Li Chen
通訊作者：陳東（浙江大學(xué)），David A. Weitz（哈佛大學(xué)），葉方富（中科院物理所）
綜述背景
當(dāng)流體的特征尺度不同時，流動特性往往會發(fā)生很大變化。在宏觀尺度上，流體內(nèi)部易產(chǎn)生混沌無規(guī)的湍流；在微觀尺度上，流體流動則以層流為主，其流動特性可用連續(xù)性動力學(xué)理論進(jìn)行預(yù)測；在納米尺度上，納米通道的特征尺度趨近于分子間相互作用力的力程，從而引發(fā)了許多獨(dú)特的流體現(xiàn)象。
基于流體在不同尺度上表現(xiàn)出的豐富特性，從毫米到納米尺度的毫流控、微流控和納流控流體體系應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)多尺度上流體運(yùn)動的精準(zhǔn)控制。得益于微納加工技術(shù)的發(fā)展和各種新型制備技術(shù)的誕生，目前流控器件的制備在分辨率、成本和高通量制造等方面得到極大改善。微型流控器件的主要構(gòu)件，如通道、過濾器、閥門、攪拌器和泵浦等，可作為標(biāo)準(zhǔn)模塊集成到單個芯片上，精巧度和便攜性大大提高，也為流控器件的靈活設(shè)計和應(yīng)用推廣提供了廣闊的空間。
綜述簡介
鑒于流控體系所展現(xiàn)的巨大潛力，浙江大學(xué)陳東研究員課題組與哈佛大學(xué)David A. Weitz教授課題組、中科院物理所葉方富研究員課題組合作，對從毫米到納米尺度的毫流控、微流控和納流控體系進(jìn)行了系統(tǒng)全面的回顧，如圖1所示，主要涵蓋三個方面：i) 多尺度流控體系中流體的物理特性，包括不同尺度上流體的流動特征和起主導(dǎo)作用的相互作用力；ii) 流控器件的制備技術(shù)，包括針對毫流控和微流控的增材制造和非增材制造，針對納流控的自上而下和自下而上方法，以及總結(jié)各這些技術(shù)的特點(diǎn)等；iii) 流控器件在材料科學(xué)、藥物篩選、生物醫(yī)學(xué)研究和仿生傳感等領(lǐng)域應(yīng)用。
圖1. 綜述概述：流控體系中流體的物理特性，流控器件的制備技術(shù)和應(yīng)用。
要點(diǎn)1：多尺度流控體系中流體的物理特性
顧名思義，毫流控、微流控和納流控分別指通道的特征長度處于1 mm-10 mm、100 nm-1 mm和<100 nm范圍的流體體系，如表1所示。一般情況下，水在毫流控、微流控和納米流控通道中流體本質(zhì)上均處于層流狀態(tài)。在毫流控和微流控中，流體運(yùn)動主要受到其內(nèi)部的粘滯力和慣性力，界面上的界面張力和毛細(xì)作用力的影響。而在納米通道中，通道尺寸小于100 nm，由于與分子尺寸相當(dāng)，分子間相互作用力如靜電力、范德華力、水合作用力和空間排斥力等則起到主導(dǎo)作用。了解通道中流體運(yùn)動和受力情況，對流體的精確控制和流控器件的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計等具有至關(guān)重要的作用。
表1. 毫流控、微流控和納流控流體體系的特征通道尺度、流動特性和主要作用力。
要點(diǎn)2：流控器件的制備技術(shù)
由于各種新型制備技術(shù)的誕生使得微納加工工藝不斷發(fā)展，目前流控器件的制備在分辨率、成本和高通量制造等方面得到了很大的提升。根據(jù)器件的尺度不同，流控體系的制備技術(shù)也不盡相同，如針對毫流控和微流控器件制備方法主要分為增材和非增材制造技術(shù)，針對納米流控制備的主要為自上而下和自下而上方法等。表2概述了這些主要制備技術(shù)及其精度、適用材料、優(yōu)點(diǎn)和局限等，其中具有代表性的方法如圖2所示。
表2. 毫流控、微流控和納流控器件的制備技術(shù)總結(jié)。
當(dāng)前，用于制造毫流控和微流控器件的技術(shù)有許多共同之處，可分為增材制造和非增材制造兩類。增材制造技術(shù)主要包括立體光刻(Stereolithography)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering)、熔融沉積建模(Fused Deposition Modelling)和水凝膠噴墨打印(Hydrogel Inkjet Printing)等。增材制造中，流控器件可由計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD) 預(yù)先數(shù)字化建模，然后程序化逐層打印，這為打印各種形貌結(jié)構(gòu)器件賦予了高度的靈活性。同時，由于3D打印可對原材料進(jìn)行最大程度利用，在工業(yè)上展現(xiàn)了巨大潛力。非增材制造技術(shù)，如激光直寫(Direct Laser Writing)、軟光刻(Soft Lithography)和玻璃毛細(xì)管(Glass Capillary)等，則可進(jìn)一步提高流控器件的制造精度。對于納流控器件，傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)利用自上而下的制造策略，可使用電子束光刻(EBL)或聚焦離子束(FIB)對硅基材料進(jìn)行高精度刻蝕，但制作過程往往復(fù)雜且耗時，納米壓印光刻(Nanoimprint Lithography)等為其提供了一種低成本的選擇。此外，基于分子自組裝的自下而上策略也為納流控器件的制備提供了更多的空間。
圖2. 具有代表性的流控器件制備技術(shù)。
要點(diǎn)3：毫流控、微流控和納流控器件的應(yīng)用
由于毫流控、微流控和納流控通道中流體特性差異，它們的應(yīng)用和發(fā)展也呈現(xiàn)出不同的趨勢。毫流控器件的毫米級通道對堵塞和污垢的敏感性較低，有助于工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。如圖3所示，毫流控在合成效率和產(chǎn)品質(zhì)量之間提供了良好的平衡，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室合成和工業(yè)生產(chǎn)之間的差距。通過連續(xù)式反應(yīng)流或離散式液滴反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)物質(zhì)的實(shí)時檢測和參數(shù)優(yōu)化，用于納米材料的優(yōu)質(zhì)制造和高通量藥物篩選等。當(dāng)下，毫流控研究主要致力于將多通道投料、實(shí)時檢測、自動控制和高通量等生產(chǎn)特征整合，通過精細(xì)化通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，搭建多功能自反饋平臺，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的優(yōu)質(zhì)多樣性制造。
圖3. 具有代表性的毫米流控器件的應(yīng)用。
微流控由于其優(yōu)異的微米級流體操縱能力，已被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控器件為基礎(chǔ)科學(xué)、創(chuàng)新技術(shù)和新應(yīng)用提供了廣闊的平臺。我們對微流控在流體混合、粒子分選、多級乳液制備、單細(xì)胞分析、器官芯片、即時檢測和光流控等應(yīng)用進(jìn)行簡要回顧，如圖4所示，以上代表性例子都高度體現(xiàn)了微流控系統(tǒng)對流體精確控制和模塊高度集成化的典型特征。由于層流占主導(dǎo)地位，微通道中兩相流體的混合主要由界面擴(kuò)散決定，效率遠(yuǎn)低于宏觀混沌湍流。目前提高流體混合速率的策略主要分為被動式和主動式。被動式混合是通過設(shè)計具有特定幾何形狀的流體通道，觸發(fā)局域混沌湍流以加速混合，如之字形、漩渦構(gòu)型、分支結(jié)構(gòu)和蜿蜒形。主動式混合則是在微流器件中引入外源驅(qū)動微混合器，如壓電混合器、電動混合器和磁力驅(qū)動混合器等。微流控器件作為“乳液設(shè)計器”可將不互溶液體混合，在液滴生成和構(gòu)建多級乳液方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，可制備包括雙乳、三乳和四乳等體積和核液滴數(shù)量精準(zhǔn)可調(diào)的多級乳液結(jié)構(gòu)。另外，微通道每個液滴可作為單個細(xì)胞的理想容器，為單細(xì)胞分析提供強(qiáng)大平臺。通過引入介質(zhì)電泳、磁力、光力和聲波等，還可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)粒子或細(xì)胞的高效分選。當(dāng)集成液滴生成、合并、混合、細(xì)胞孵育和觀測等多個模塊時，可用于細(xì)胞毒性等高通量篩查。通過進(jìn)一步構(gòu)建仿生器官微流芯片，還可還原人體內(nèi)組織或器官的微結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，成功再現(xiàn)器官水平的代謝和免疫反應(yīng)，用于臨床精準(zhǔn)醫(yī)療。在日常生活中，微流控即時檢測(POCTs)裝置憑借其成本低廉、靈敏度高、便攜性強(qiáng)、檢測快速等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于公共健康檢測，如HIV診斷、血液分析和血糖監(jiān)測等。在當(dāng)前冠狀病毒病COVID-19大流行的診斷，POCTs同樣發(fā)揮著重要的作用。
圖4. 具有代表性的微流控器件的應(yīng)用。
納流控的快速發(fā)展得益于納米制造技術(shù)的發(fā)展和新型納米材料的發(fā)現(xiàn)，如碳納米管、氮化硼、石墨烯、MoS2和MXenes等。納流控處于納米特征尺度上，主要由分子間的作用力主導(dǎo)，這也賦予了它極具價值的應(yīng)用前景，如海水淡化、能量收集、單分子分析和納米流體二極管和仿生神傳導(dǎo)經(jīng)系統(tǒng)等，以及新奇豐富的微觀流體現(xiàn)象，如圖5所示。例如當(dāng)水通過半徑為15 ~ 50 nm的碳納米管時，實(shí)測水流速率比連續(xù)動力學(xué)模型推算的預(yù)測值高出4 ~ 5個數(shù)量級，一個可能解釋是其無摩擦的通道表面導(dǎo)致了超快水傳輸現(xiàn)象的產(chǎn)生。然而，納米通道中超快水輸運(yùn)等現(xiàn)象的潛在機(jī)制尚無定論，有待實(shí)驗(yàn)和模擬的進(jìn)一步揭示。
圖5. 具有代表性的納流控器件的應(yīng)用。
總結(jié)與展望
本文綜述了毫流控、微流控和納流控流體體系，包括它們的流動特性、制備技術(shù)和多種應(yīng)用。通道內(nèi)流體的精確控制是這些流體體系的共同特征。由于長度尺度的不同，毫流控和微流控主要相互作用為粘性阻力、慣性力、界面張力和毛細(xì)力，而納流控則為靜電力、范德華力、水合力和空間斥力主導(dǎo)，這也賦予了毫流控、微流控和納流控流體體系不同的應(yīng)用發(fā)展趨勢。
毫流控、微流控和納流控體系的研究跨越了學(xué)術(shù)研究到工業(yè)應(yīng)用，并隨著時間的持續(xù)不斷發(fā)展。毫流控、微流控和納流控體系是多學(xué)科交叉研究的強(qiáng)大平臺，在未來的發(fā)展中將發(fā)揮越來越重要的作用。主要表現(xiàn)為：
i) 毫流控將更廣泛地應(yīng)用于微反應(yīng)等工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；
ii) 微流體技術(shù)將在人類健康醫(yī)療方面有更重要的應(yīng)用；
iii) 納米流體領(lǐng)域將更多地關(guān)注與新型納米材料和新現(xiàn)象相關(guān)的基礎(chǔ)研究。
參考文獻(xiàn)
Li Chen, et al. Milli-, Micro- and Nanofluidics: Manipulating Fluids at Varying Length Scales. Materials Today Nano.
DOI: 10.1016/j.mtnano.2021.100136
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842021000286
通訊作者
陳東 研究員：浙江大學(xué)能源工程學(xué)院化工機(jī)械研究所特聘研究員，主要從事微流控、3D打印、生物材料、生物信息等方面的研究，在Adv. Mater.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文80余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利20余項。擔(dān)任Chinese Chemical Letters、Energies等期刊編委，入選中國醫(yī)藥生物技術(shù)協(xié)會納米生物技術(shù)分會委員、中國化學(xué)會仿生界面化學(xué)分會專委會委員等。
David A. Weitz 教授：美國哈佛大學(xué)教授，美國科學(xué)院、美國工程院和美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院三院院士，軟物質(zhì)、微流控和生物化工前沿領(lǐng)域的國際頂尖專家，已發(fā)表學(xué)術(shù)期刊論文700余篇，其中在Science、Nature、Cell期刊論文30余篇，總被引次數(shù)達(dá)90000次，獲授權(quán)專利70余項。在全球創(chuàng)建了10余家高技術(shù)公司，致力于推動生物、材料和工程等前沿技術(shù)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。
葉方富 研究員：中科院物理所研究員，軟物質(zhì)與生物物理實(shí)驗(yàn)室副主任，研究主要從事活性物質(zhì)、細(xì)胞行為調(diào)控、新型生物材料性能等方面研究，在PRL、PNAS、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文60余篇。自2019年5月起，兼任中國科學(xué)院大學(xué)溫州研究院副院長。
