顧名思義，毫流控、微流控和納流控分別指通道的特征長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)和受力情況，對(duì)流體的精確控制和流控器件的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)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(dòng)特性和主要作用力。

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(duì)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(duì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(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(shí)，由于3D打印可對(duì)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(duì)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(duì)硅基材料進(jìn)行高精度刻蝕，但制作過(guò)程往往復(fù)雜且耗時(shí)，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)。

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(shì)。毫流控器件的毫米級(jí)通道對(duì)堵塞和污垢的敏感性較低，有助于工業(yè)規(guī)?；a(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(guò)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(shí)檢測(cè)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(shí)檢測(cè)、自動(dòng)控制和高通量等生產(chǎn)特征整合，通過(guò)精細(xì)化通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建多功能自反饋平臺(tái)，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(jí)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(gè)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(tái)。我們對(duì)微流控在流體混合、粒子分選、多級(jí)乳液制備、單細(xì)胞分析、器官芯片、即時(shí)檢測(cè)和光流控等應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式混合是通過(guò)設(shè)計(jì)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(dòng)式混合則是在微流器件中引入外源驅(qū)動(dòng)微混合器，如壓電混合器、電動(dòng)混合器和磁力驅(qū)動(dòng)混合器等。微流控器件作為“乳液設(shè)計(jì)器”可將不互溶液體混合，在液滴生成和構(gòu)建多級(jí)乳液方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(jí)乳液結(jié)構(gòu)。另外，微通道每個(gè)液滴可作為單個(gè)細(xì)胞的理想容器，為單細(xì)胞分析提供強(qiáng)大平臺(tái)。通過(guò)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(cè)等多個(gè)模塊時(shí)，可用于細(xì)胞毒性等高通量篩查。通過(guò)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(shí)檢測(cè)(POCTs)裝置憑借其成本低廉、靈敏度高、便攜性強(qiáng)、檢測(cè)快速等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于公共健康檢測(cè)，如HIV診斷、血液分析和血糖監(jiān)測(cè)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(jià)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(guò)半徑為15 ~ 50 nm的碳納米管時(shí)，實(shí)測(cè)水流速率比連續(xù)動(dòng)力學(xué)模型推算的預(yù)測(cè)值高出4 ~ 5個(gè)數(shù)量級(jí)，一個(gè)可能解釋是其無(wú)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(wú)定論，有待實(shí)驗(yàn)和模擬的進(jìn)一步揭示。

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(shí)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(tái)，在未來(lái)的發(fā)展中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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