他，三院院士，发表700多篇论文，开创10多家高科技公司，这篇多尺度流体综述值得一读！

纳米人

2021-08-22

流体在自然界无处不在，然而随着其所处环境的特征长度变化，流体往往表现出截然不同的属性。在多尺度上了解流体运动的潜在机制并对其精确控制不仅对物理、化学、生物和工程等交叉学科研究具有重要意义，对新型流体产品的应用研发也发挥着重要作用。

美国哈佛大学教授，美国科学院、美国工程院和美国艺术与科学院三院院士David A. Weitz 教授，长期从事流体领域有关研究，他是软物质、微流控和生物化工前沿领域的国际顶尖专家，已发表学术期刊论文700余篇，其中在Science、Nature、Cell期刊论文30余篇，总被引次数达90000次，获授权专利70余项。在全球创建了10余家高技术公司，致力于推动生物、材料和工程等前沿技术的产品转化。

近日，浙江大学陈东研究员课题组与哈佛大学David A. Weitz教授课题组、中科院物理所叶方富研究员课题组合作在Materials Today Nano上发表综述文章，重点关注从毫米到纳米尺度上流体的流动特性，阐述多尺度上流体运动的共性和差异，总结了对应流体体系即毫流控、微流控和纳流控器件的制备技术，并进一步介绍了毫流控、微流控和纳流控体系在材料科学、药物筛选、生物医学研究和仿生传感等领域应用，最后展望了毫流控、微流控和纳流控体系的未来发展趋势和面临的挑战与机遇。

第一作者：Li Chen

通讯作者：陈东（浙江大学），David A. Weitz（哈佛大学），叶方富（中科院物理所）

综述背景

当流体的特征尺度不同时，流动特性往往会发生很大变化。在宏观尺度上，流体内部易产生混沌无规的湍流；在微观尺度上，流体流动则以层流为主，其流动特性可用连续性动力学理论进行预测；在纳米尺度上，纳米通道的特征尺度趋近于分子间相互作用力的力程，从而引发了许多独特的流体现象。

基于流体在不同尺度上表现出的丰富特性，从毫米到纳米尺度的毫流控、微流控和纳流控流体体系应运而生，实现多尺度上流体运动的精准控制。得益于微纳加工技术的发展和各种新型制备技术的诞生，目前流控器件的制备在分辨率、成本和高通量制造等方面得到极大改善。微型流控器件的主要构件，如通道、过滤器、阀门、搅拌器和泵浦等，可作为标准模块集成到单个芯片上，精巧度和便携性大大提高，也为流控器件的灵活设计和应用推广提供了广阔的空间。

综述简介

鉴于流控体系所展现的巨大潜力，浙江大学陈东研究员课题组与哈佛大学David A. Weitz教授课题组、中科院物理所叶方富研究员课题组合作，对从毫米到纳米尺度的毫流控、微流控和纳流控体系进行了系统全面的回顾，如图1所示，主要涵盖三个方面：i) 多尺度流控体系中流体的物理特性，包括不同尺度上流体的流动特征和起主导作用的相互作用力；ii) 流控器件的制备技术，包括针对毫流控和微流控的增材制造和非增材制造，针对纳流控的自上而下和自下而上方法，以及总结各这些技术的特点等；iii) 流控器件在材料科学、药物筛选、生物医学研究和仿生传感等领域应用。

图1. 综述概述：流控体系中流体的物理特性，流控器件的制备技术和应用。

要点1：多尺度流控体系中流体的物理特性

顾名思义，毫流控、微流控和纳流控分别指通道的特征长度处于1 mm-10 mm、100 nm-1 mm和<100 nm范围的流体体系，如表1所示。一般情况下，水在毫流控、微流控和纳米流控通道中流体本质上均处于层流状态。在毫流控和微流控中，流体运动主要受到其内部的粘滞力和惯性力，界面上的界面张力和毛细作用力的影响。而在纳米通道中，通道尺寸小于100 nm，由于与分子尺寸相当，分子间相互作用力如静电力、范德华力、水合作用力和空间排斥力等则起到主导作用。了解通道中流体运动和受力情况，对流体的精确控制和流控器件的结构功能设计等具有至关重要的作用。

表1. 毫流控、微流控和纳流控流体体系的特征通道尺度、流动特性和主要作用力。

要点2：流控器件的制备技术

由于各种新型制备技术的诞生使得微纳加工工艺不断发展，目前流控器件的制备在分辨率、成本和高通量制造等方面得到了很大的提升。根据器件的尺度不同，流控体系的制备技术也不尽相同，如针对毫流控和微流控器件制备方法主要分为增材和非增材制造技术，针对纳米流控制备的主要为自上而下和自下而上方法等。表2概述了这些主要制备技术及其精度、适用材料、优点和局限等，其中具有代表性的方法如图2所示。

表2. 毫流控、微流控和纳流控器件的制备技术总结。

当前，用于制造毫流控和微流控器件的技术有许多共同之处，可分为增材制造和非增材制造两类。增材制造技术主要包括立体光刻(Stereolithography)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)、熔融沉积建模(Fused Deposition Modelling)和水凝胶喷墨打印(Hydrogel Inkjet Printing)等。增材制造中，流控器件可由计算机辅助设计(CAD) 预先数字化建模，然后程序化逐层打印，这为打印各种形貌结构器件赋予了高度的灵活性。同时，由于3D打印可对原材料进行最大程度利用，在工业上展现了巨大潜力。非增材制造技术，如激光直写(Direct Laser Writing)、软光刻(Soft Lithography)和玻璃毛细管(Glass Capillary)等，则可进一步提高流控器件的制造精度。对于纳流控器件，传统的微纳加工技术利用自上而下的制造策略，可使用电子束光刻(EBL)或聚焦离子束(FIB)对硅基材料进行高精度刻蚀，但制作过程往往复杂且耗时，纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography)等为其提供了一种低成本的选择。此外，基于分子自组装的自下而上策略也为纳流控器件的制备提供了更多的空间。

 图2. 具有代表性的流控器件制备技术。

要点3：毫流控、微流控和纳流控器件的应用

由于毫流控、微流控和纳流控通道中流体特性差异，它们的应用和发展也呈现出不同的趋势。毫流控器件的毫米级通道对堵塞和污垢的敏感性较低，有助于工业规模化生产。如图3所示，毫流控在合成效率和产品质量之间提供了良好的平衡，弥补了实验室合成和工业生产之间的差距。通过连续式反应流或离散式液滴反应器，可实现通道内物质的实时检测和参数优化，用于纳米材料的优质制造和高通量药物筛选等。当下，毫流控研究主要致力于将多通道投料、实时检测、自动控制和高通量等生产特征整合，通过精细化通网络结构设计，搭建多功能自反馈平台，以满足实际生产需求，实现产物的优质多样性制造。 

 图3. 具有代表性的毫米流控器件的应用。

微流控由于其优异的微米级流体操纵能力，已被广泛应用于材料科学、化学、细胞生物学和医学等多个学科。随着技术的不断发展，微流控器件为基础科学、创新技术和新应用提供了广阔的平台。我们对微流控在流体混合、粒子分选、多级乳液制备、单细胞分析、器官芯片、即时检测和光流控等应用进行简要回顾，如图4所示，以上代表性例子都高度体现了微流控系统对流体精确控制和模块高度集成化的典型特征。由于层流占主导地位，微通道中两相流体的混合主要由界面扩散决定，效率远低于宏观混沌湍流。目前提高流体混合速率的策略主要分为被动式和主动式。被动式混合是通过设计具有特定几何形状的流体通道，触发局域混沌湍流以加速混合，如之字形、漩涡构型、分支结构和蜿蜒形。主动式混合则是在微流器件中引入外源驱动微混合器，如压电混合器、电动混合器和磁力驱动混合器等。微流控器件作为“乳液设计器”可将不互溶液体混合，在液滴生成和构建多级乳液方面具有独特优势，可制备包括双乳、三乳和四乳等体积和核液滴数量精准可调的多级乳液结构。另外，微通道每个液滴可作为单个细胞的理想容器，为单细胞分析提供强大平台。通过引入介质电泳、磁力、光力和声波等，还可以实现目标粒子或细胞的高效分选。当集成液滴生成、合并、混合、细胞孵育和观测等多个模块时，可用于细胞毒性等高通量筛查。通过进一步构建仿生器官微流芯片，还可还原人体内组织或器官的微结构和微环境，成功再现器官水平的代谢和免疫反应，用于临床精准医疗。在日常生活中，微流控即时检测(POCTs)装置凭借其成本低廉、灵敏度高、便携性强、检测快速等优势，广泛应用于公共健康检测，如HIV诊断、血液分析和血糖监测等。在当前冠状病毒病COVID-19大流行的诊断，POCTs同样发挥着重要的作用。

 图4. 具有代表性的微流控器件的应用。

纳流控的快速发展得益于纳米制造技术的发展和新型纳米材料的发现，如碳纳米管、氮化硼、石墨烯、MoS2和MXenes等。纳流控处于纳米特征尺度上，主要由分子间的作用力主导，这也赋予了它极具价值的应用前景，如海水淡化、能量收集、单分子分析和纳米流体二极管和仿生神传导经系统等，以及新奇丰富的微观流体现象，如图5所示。例如当水通过半径为15 ~ 50 nm的碳纳米管时，实测水流速率比连续动力学模型推算的预测值高出4 ~ 5个数量级，一个可能解释是其无摩擦的通道表面导致了超快水传输现象的产生。然而，纳米通道中超快水输运等现象的潜在机制尚无定论，有待实验和模拟的进一步揭示。

 图5. 具有代表性的纳流控器件的应用。

总结与展望

本文综述了毫流控、微流控和纳流控流体体系，包括它们的流动特性、制备技术和多种应用。通道内流体的精确控制是这些流体体系的共同特征。由于长度尺度的不同，毫流控和微流控主要相互作用为粘性阻力、惯性力、界面张力和毛细力，而纳流控则为静电力、范德华力、水合力和空间斥力主导，这也赋予了毫流控、微流控和纳流控流体体系不同的应用发展趋势。

毫流控、微流控和纳流控体系的研究跨越了学术研究到工业应用，并随着时间的持续不断发展。毫流控、微流控和纳流控体系是多学科交叉研究的强大平台，在未来的发展中将发挥越来越重要的作用。主要表现为：

i) 毫流控将更广泛地应用于微反应等工业规模生产；

ii) 微流体技术将在人类健康医疗方面有更重要的应用；

iii) 纳米流体领域将更多地关注与新型纳米材料和新现象相关的基础研究。

参考文献

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

通讯作者

陈东 研究员：浙江大学能源工程学院化工机械研究所特聘研究员，主要从事微流控、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.等学术期刊上发表论文80余篇，授权中国发明专利20余项。担任Chinese Chemical Letters、Energies等期刊编委，入选中国医药生物技术协会纳米生物技术分会委员、中国化学会仿生界面化学分会专委会委员等。

David A. Weitz 教授：美国哈佛大学教授，美国科学院、美国工程院和美国艺术与科学学院三院院士，软物质、微流控和生物化工前沿领域的国际顶尖专家，已发表学术期刊论文700余篇，其中在Science、Nature、Cell期刊论文30余篇，总被引次数达90000次，获授权专利70余项。在全球创建了10余家高技术公司，致力于推动生物、材料和工程等前沿技术的产品转化。

叶方富 研究员：中科院物理所研究员，软物质与生物物理实验室副主任，研究主要从事活性物质、细胞行为调控、新型生物材料性能等方面研究，在PRL、PNAS、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.等学术期刊上发表论文60余篇。自2019年5月起，兼任中国科学院大学温州研究院副院长。