【摘要】：氣液界面是微顆粒富集的重要場(chǎng)所，對(duì)氣液界面上的微顆粒進(jìn)行操控在微裝配、微混合、微清掃等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。微尺度下，常規(guī)的接觸式操控粘連現(xiàn)象凸顯且易造成污染；通過施加非均勻外場(chǎng)產(chǎn)生的梯度力進(jìn)行非接觸式操控可有效避免粘連現(xiàn)象，但這些作用力如光場(chǎng)梯度力、磁場(chǎng)梯度力、電場(chǎng)梯度力等分別正比于～L~3、～L~3、～L~0(L為顆粒特征尺度)，一旦尺度較小，其操控效率較低。而漂浮于氣液界面微顆粒都會(huì)受到表面張力(～L~(-1))的作用，這種作用隨著尺度減小變得更加顯著。

因此通過表面張力能顯著提高微操控的效率。為此，本文基于表面張力梯度產(chǎn)生的兩種方式，表面張力系數(shù)梯度和界面曲率梯度，分別提出了由高斯光誘導(dǎo)的溫度梯度導(dǎo)致的表面張力系數(shù)梯度，以及由毛細(xì)波誘導(dǎo)的界面的曲率梯度從而產(chǎn)生的表面張力梯度對(duì)界面上的微顆粒進(jìn)行驅(qū)動(dòng)研究。本文通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模型相結(jié)合研究了具有“瘦高型”能量集中式高斯分布的UV光入射到含有光熱效應(yīng)Fe_3O_4顆粒液滴時(shí)，由于光強(qiáng)的不均勻分布，液滴表面會(huì)形成約2K/mm的溫度梯度，從而產(chǎn)生Marangoni對(duì)流驅(qū)動(dòng)納米顆粒在液滴內(nèi)部形成渦流運(yùn)動(dòng)，其最大速度可達(dá)～10mm/s的數(shù)量級(jí)。

并且詳細(xì)給出了液滴表面的溫度分布以及液滴內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)。并且通過數(shù)值模型研究了不同液滴高度以及不同輪廓高斯光對(duì)驅(qū)動(dòng)效果的影響，結(jié)果表明:

(1)液滴高度越小，其表面可產(chǎn)生更大的溫度梯度，驅(qū)動(dòng)效果更好；

(2)在能量密度相同條件下，相較于“矮胖型”高斯光，“瘦高型”高斯光能量更為集中，其驅(qū)動(dòng)效果更好。其次基于上述高斯光誘導(dǎo)的液滴內(nèi)部的渦流運(yùn)動(dòng)，提出了一種非接觸式微液滴內(nèi)部混合機(jī)制，當(dāng)高斯光交替從液滴左右對(duì)稱位置垂直入射，液滴內(nèi)部會(huì)交替形成大小不同的漩渦，達(dá)到混合增強(qiáng)的目的，本文通過數(shù)值模型驗(yàn)證了該機(jī)制的混合效果，并且分析了液滴高度和高斯光入射位置對(duì)混合效果的影響，最后探討了溫升和樣品的透光性對(duì)該混合機(jī)制的影響。

最后本文通過由氣泡生長(zhǎng)潰滅所產(chǎn)生的毛細(xì)波對(duì)界面上的微顆粒進(jìn)行驅(qū)動(dòng)研究，在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到當(dāng)毛細(xì)波掠過微顆粒時(shí)，顆粒依次經(jīng)歷了前推與回拉，并產(chǎn)生了顯著的凈位移，其最大速度可達(dá)～100mm/s的數(shù)量級(jí)。基于此，首先在COMSOL中建立了二維軸對(duì)稱模型對(duì)毛細(xì)波傳播進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明，毛細(xì)波傳播速度在～m/s數(shù)量級(jí)，并且由于粘性耗散，毛細(xì)波傳播過程中其振幅波速在不斷衰減。隨后在COMSOL中建立了三維模型對(duì)毛細(xì)波驅(qū)動(dòng)界面上微顆粒進(jìn)行研究，采用兩相流相場(chǎng)方法模擬相界面并且使用動(dòng)網(wǎng)格接口來模擬顆粒運(yùn)動(dòng)。

由于相場(chǎng)方法中將表面張力作為體積力加入到N-S方程中，因此相場(chǎng)方法中的界面上會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)突躍，并且壓強(qiáng)突躍峰值隨著界面厚度的增加而減小，因此，進(jìn)行了在不同界面厚度下毛細(xì)波對(duì)顆粒的驅(qū)動(dòng)研究，結(jié)果表明，僅當(dāng)界面厚度較薄時(shí)，顆粒才可產(chǎn)生先前推后回拉運(yùn)動(dòng)，當(dāng)界面厚度較厚時(shí)，顆粒僅能產(chǎn)生前推運(yùn)動(dòng)而無法回拉。最后進(jìn)行了毛細(xì)波對(duì)不同尺寸顆粒、不同波源距離顆粒以及不同初始振幅毛細(xì)波對(duì)顆粒驅(qū)動(dòng)研究，分析了由于顆粒尺寸和質(zhì)量、毛細(xì)波傳播中能量的衰減以及波長(zhǎng)與波速之間的關(guān)系對(duì)顆粒驅(qū)動(dòng)的影響。