张鸿翔,宁 远,刘伯华,张孟伦

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072)

微流控领域有许多具有特色的物理效应,例如:微流体对流、雾化、微液滴喷射、毛细效应、界面效应等等。通过有效地利用这些物理效应,可以应用于多种技术和工程,如喷墨式打印机、热动力工程等。在目前,使用喷嘴对液滴的操控和生成是较成熟的技术,该技术被广泛应用于微流控、打印机、生物医学等方向。现如今,人们在基于喷嘴的喷射物理过程[1]及其数值模拟仿真方法[2]上已经做了比较深入的研究,利用可控的液滴喷射系统实现了对细胞的操作[3]。然而,对于带有喷嘴的液滴喷射系统,其液滴喷射的方向却不容易改变。因此无喷嘴的液滴生成和喷射技术,即直接在原始液体表面上可控地生成液滴、实现液体喷射,便成为上述问题的解决方式之一。通过声波在流体中的声流体效应和声辐射效应实现无喷嘴液滴生成和喷射,逐渐成为无嘴喷射的主要技术方式。

无嘴喷射技术在国外的发展,已有十多年的历史。2006年,Yu等人利用压电陶瓷(PZT)、氧化锌(ZnO)制成环形、扇形等形状的声波谐振器,在液体中实现了局部的声波聚焦,并实现了无喷嘴、方向在一定范围内可控的液滴喷射[4]。2007年,美国乔治亚理工学院的Vukasinovic等人使用谐振频率为 1 kHz 的PZT激发了一个100 μL的液滴(大液滴)振动,通过增大输入液滴表面毛细波本征频率处的功率,实现了大液滴分裂成小液滴的过程[5]。虽然通过这种方式生成的液滴在一定程度上可控性不强,但该研究成果揭示了气液界面上液滴生成的规律以及雾化现象对液滴喷射的影响。……