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  從龍卷風到排水的水池，旋渦（或稱作渦流）是日常生活中常見的流體運動現象。高速流動的流體在遇到障礙物后就會在障礙物后形成渦流，著名的“卡門渦街”就是這樣一種現象。卡門渦街出現的條件一般是雷諾系數大于50。雷諾系數與流體的速度和流動通道的特征長度都成正比。而在微流體器件中，通道的特征長度往往只有幾十微米，這使得微流體器件中的雷諾系數通常遠小于1 。在這種條件下，流體是一種層流狀態，渦流不會自發形成。所以在微流體器件中構造渦流具有極大的挑戰性。有人通過把流速極大提高從而增大雷諾系數的方式在微流通道中構造渦流，另外的方法可以通過外加聲場或電場的方式提供額外的力使流體產生渦流。最近中科院化學研究所的宋延林研究員團隊提出了一種新方法：利用流體自身的馬蘭格尼（Marangoni）效應而無需借助外場作用，實現了在低雷諾數下（即蠕動流）構造自驅動微渦流的方法。

圖1. 卡門渦街。

  馬蘭格尼效應由水-空氣界面的表面張力梯度引起，能夠在流體表面產生切向的力。在這種表面力作用下，在蠕動流狀態下流體也可以產生旋渦流。該工作通過蒸發誘導馬蘭格尼流的形成，進而形成一個自驅動的渦流體系。其中通過結構設計而產生一個不均勻的蒸發場，在液體表面形成不均勻的表面活性劑濃度分布，進而形成馬蘭格尼流（如圖2所示）。

圖2. 蒸發誘導的自驅動渦流的實驗方法。

  在實驗中，表面活性劑溶液被夾在微結構硅襯底和玻璃蓋之間。因此，流體被限制在一個準二維的薄層空間中，流體界面變得狹長。在這種情況下，馬蘭格尼流表現為一種淺層表面流動行為。隨著表面活性劑濃度的增加，馬蘭格尼流的對流距離隨之增大。在長距離對流的基礎上，通過微結構調控流體界面形成一些特定的形狀，就能將表面流轉化為渦流。渦流的形態取決于流體界面的形狀和流體中的微結構排列。圖3給出了一些典型的渦流圖案。

圖3. 通過微結構調控流體界面構造多樣的渦流形貌。

  他們利用COMSOL數值仿真軟件進行了流體動力學模擬，可以精確地預測結構中渦流的模式，從而高效地設計渦流圖案。

圖4. 通過COMSOL流體力學仿真預測渦流圖案。

  這種微米級的渦流可以成為微尺度下操控物體的一種有效工具。在本工作中，他們實現了在微米尺度旋轉微型物體，并實現了具有粒徑篩選功能的微米顆粒的輸運和富集，使流體中的顆粒富集在特定的渦流之中。這種方法有望實現分離和富集血液中的細胞成分，在微流控領域中有廣泛的應用前景。

圖5. 渦流實現旋轉微型物體和顆粒富集。

  這一成果近期發表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章第一作者中科院化學所博士生蔡哲仁，通訊作者為中科院化學所宋延林研究員和加拿大西安大略大學黃占東博士，通訊單位中科院化學所。

  論文信息：Evaporation Induced Spontaneous Micro‐Vortexes via Engineering Marangoni Flow

  https://doi.org/10.1002/anie.202008477