微流控技术是一个快速发展的领域，它能够精确地操纵微量流体，并在实际应用中展现出诸多优势，如低能耗、材料和流体用量少、精确控制、快速反应、高通量和多功能集成等。

近期，格里菲斯大学昆士兰微纳米技术中心主任Nguyen Nam-Trung教授、张俊博士等人发表综述，全面探讨了微流控中周期性流动的基本原理、产生技术及其在流体混合、热传递、液滴/气泡生成、粒子操控、过滤增强、生物模拟等方面的应用，同时讨论了面临的挑战和未来的研究方向，以挖掘周期性流动在微流控中的潜力。相关研究成果以“Periodic Flows in Microfluidics”为题目发表于期刊《Small》。

本文要点：

1、本文综述了微流控中周期性流动的基本原理、产生技术和应用。

2、介绍了周期性流动的基本原理，使用水力-电力模拟来分析流体流动行为。

3、讨论了基于压力梯度、流体阻力、晶体管和电容等方法生成周期性流动的机理。

4、详细介绍了周期性流动在微流控中的应用，包括流体混合、热传递、液滴/气泡生成、粒子操控、过滤增强、生物模拟、流体流变学测量和微观结构制造。

5、尽管取得了显著进展，但该领域仍处于初期阶段，需要进一步研究解决机理、制造、微型化和集成等挑战，以充分发挥周期性流动在微流控中的潜力。

一张图读懂全文：

在微流控中使用周期性流动的优势包括：

1、改善流体混合：周期性扰动可以显著提高低雷诺数层流条件下的混合，这在微流控中是一个挑战。

2、增强热传递：周期性流动，特别是振荡流，可以在非牛顿流体中引起弹性湍流，从而显著提高对流换热。

3、精确控制液滴/气泡生成：周期性扰动可以解耦液滴尺寸、生成频率和流体性质，实现对液滴参数的精确控制。

4、改善颗粒操控：与稳态流相比，周期性流动可以更有效地聚焦和分离微米/纳米颗粒，应用于诊断、细胞分选和颗粒分离。

5、减少污染和堵塞：周期性流动可以最小化颗粒在微通道壁上的沉积，降低堵塞并提高过滤性能。

6、生物模拟：周期性流动可以复制生理条件，如脉动血流和蠕动运动，实现器官芯片设备的开发，用于疾病建模、药物测试和个性化医疗。

如何实现周期性流动与微流控系统的无缝集成？

• 目前的周期性流动产生方法大多依赖于外部设备，如注射泵、压电元件等，这增加了系统的体积和复杂度。

• 需要开发可集成于微流控芯片内部的周期性流动产生机制，如基于水力-电力模拟的可调阻抗和电容元件。

• 利用新型材料和微制造技术，如3D打印、两光子聚合等，可实现复杂3D结构的一步制造，有助于集成化周期性流动产生机制。

• 将周期性流动产生机制与传感器、控制系统等电子元件集成，可实现对周期性流动的实时监测和自适应调控，提高系统的智能化水平。

图1.微流控中周期性流动的概述，包括理论基础、产生技术和应用领域。

图2.流速剖面：展示了稳态流、简单脉动流和振荡流的速度剖面图。泊松流：展示了稳态和周期性泊松流的速度剖面。微通道和坐标系：展示了圆形和矩形微通道及其坐标。

图3.水力-电力模拟图：展示了液压与电力之间的类比关系，包括流体动力学和电动力学之间的对应元素。

图4.基于压力的周期性流动产生：展示了使用注射泵、蠕动泵、气动控制阀和电子压力控制器等不同技术产生周期性流动的方法。

图5.电场驱动的流体流动：展示了通过电解产生纳米气泡、静电弯曲致动器和磁珠振荡等技术来调节流体流动。

图6.压电驱动：展示了使用单膜片或双膜片压电驱动的微泵。声波驱动：展示了基于表面声波和体声波的声流驱动技术。

图7.基于流体阻力和电容的周期性流动产生：展示了利用微通道的流体阻力和电容来产生周期性流动的机制。

图8.基于流体电容的周期性流动产生：展示了通过膜片变形和气泡压缩膨胀来产生周期性流动的方法。

图9.微流控中的周期性流动应用：展示了周期性流动在微混合、免疫分析、电子设备冷却、双乳液液滴同步生成、粘性颗粒运输、振荡流聚焦和分离、微过滤减少堵塞等方面的应用。

图10.进一步的周期性流动应用：展示了周期性流动在生物模拟、流变性质测量和微结构制造等领域的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202404685