微液滴的基本行为

       液滴流微反应器依赖于高频率可控尺寸的液滴的制备；同时，基于进行化学反应或者分析的需要，产生的微液滴常常需要进行下一步的聚并和分裂等。实现这些微液滴行为控制最简单的方法就是利用微通道的结构设计，或者辅以外场（如电场、磁场和微加热原件等）来调控微液滴的各种行为。本文主要讨论无外场条件下的水力学结构的作用。

1 微液滴的生成

液滴的生成实际上是一相流体在另一相不互溶或部分互溶流体中的分散过程，一般利用不同的设备结构来形成不稳定表面而产生。液滴的制备方法可以分为自顶向下法和自底向上法两大类。前者包括传统的机械搅拌法、喷雾法、微孔乳化法以及微孔膜乳化和微通道阵列乳化等微孔介质分散法，该类方法主要利用连续相和分散相之间的剪切力带来的界面不稳定性来制备大量乳液，虽然操作简单，但存在能耗大、产生液滴尺寸分布宽和过程不易控制等缺点。相比较而言，基于微流体技术的自底向上法用于制备微液滴更为灵活可控，通过在微通道内的液滴分散可以精确地对单个液滴的尺寸、形貌和成分组成进行控制，所产生的液滴具有尺寸均一和易于调控等显著优势。

微通道分散根据其液滴生成位置附近的流场信息不同主要分为同轴流场中的断裂、错流流场中的断裂和拉伸流场中的断裂等不同的方式。相对应的通道主要是同轴环管、T 形错流微通道、水力学聚焦微通道等。为了提高液滴的单分散性，避免不必要的聚并过程发生，往往在连续相或分散相加入表面活性剂来降低两相之间的界面张力，使液滴更为稳定地存在。对于液滴的分散规律的研究是最先发展起来的分支，主要针对液滴的尺寸控制、分散过程中的流型转化、通道结构等基本参数的影响等，在此不再赘述。

2 微液滴的聚并与分裂

液滴微流控相比连续流微流控的优势之一在于其高通量和易于放大的特性，便于进行平行反应。当液滴内包含有某种反应试剂时，不同液滴之间的聚并可以有效地实现反应物之间的接触混合，同时也是控制液滴内部组分浓度的有效手段。很多情况下，单个液滴就是一个微型反应器，再通过使一个液滴分裂成两个甚至多个更小的液滴，很容易实现反应器数量的放大和体积的缩小，从而提高混合和反应的效率。因此，微液滴的聚并与分裂是使其成为理想微反应器的重要保障，如何可控地在微通道中实现液滴的聚并和分裂是一个重要的研究方向。要实现液滴的聚并融合，原则上只需减小液滴之间的距离使其可以相互接触。

要达到这一目的，一般可以通过 4 种方式来实现：通道结构变化、利用液体特定的理化性质、热毛细效应以及电场融合。其中，巧妙设计微通道的结构是最为直接简单的方式。图 2 给出了几种典型的通道结构变化，其基本原理都是突然降低前面一个液滴的流速使后面的液滴可以“追赶”上来与其接触融合。综合利用“梳齿”状通道结构变化和外场实现了液滴的可控聚并。通过在通道腔室内设计多个支柱组来增加流动阻力，使前一个液滴在腔室内减速至停止运动，等待和下一个液滴融合直至水力学压力超过表面张力，融合的液滴开始继续运动。

该结构可以通过调节支柱组的间距和数目以及融合液滴的尺寸和运动速度来控制融合过程。该体系中水相液滴的融合可以在40s内完成，因此液滴内的组分混合可以高效进行，两个液柱的混合周期在7ms左右。进一步，它们在融合腔室内加入电场，拓展了体系的适用范围，在表面活性剂存在的体系中也可以实现液滴的可控融合。支柱组的存在使得液滴之间的距离足够近，电场的存在破坏了液滴间的油膜有效地促进了融合过程。融合之后的液滴还可以再被分散成更小的液滴，因此可以通过控制液滴体积和组成来有效调控滴内化学物质的浓度，实现液滴阵列的高通量生产。

当两相流从主通道流向分支通道，此处的流线被分割成不同的部分。液滴受到流场的影响，当黏性剪切力超过表面张力时，就会发生断裂。液滴分裂过程的研究主要集中在 T 形通道。液滴到达 T 形分支点之后的行为取决于它的延伸长度 l0和毛细管准数Ca。B和C是发生断裂的流型，而A区域内不发生断裂，断裂的情况依赖于液滴是否能够充满T形分支点（C）或者和壁面之间产生沟槽（B）。该实验的结果与二维的理论分析结果吻合得非常好，并提出了临界长度的概念。垂直线代表了断裂发生时是否存在空腔区的临界长度l0/w，实线是参考文献[40]中的理论预测结果，短划线是参考文献中的理论预测结果。在对称的 T 形通道内可以得到体积相同的子液滴，而非对称的通道结构会对液滴的断裂过程产生很大的影响。

在母液滴的流道中设置障碍物来使得液滴被动的断裂，改变障碍物在流道中位置的不对称性变化可以控制断裂生成的两个子液滴的相对尺寸，同时还可以设置多级障碍物，使得子液滴可以进一步地断裂成更小的液滴。利用 VOF 数值模拟的方法来计算非对称T形通道内（等长度不等宽度）液滴的断裂过程，并利用润滑理论近似的方法进行理论分析，验证了其数值模拟的结果。他们研究和讨论了该过程中重要的影响因素，比如液滴断裂时间和压降随通道结构的变化等。进一步，对于该模型进行了实验验证，同时还建立了预测不对称 T 形通道内液滴断裂流型以及子液滴的体积比例和母液滴断裂点的理论公式，与其实验结果符合良好。