超声波使气泡共振,产生振动,推动周围流体。
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康奈尔大学的研究人员开发了一种基于芯片的系统,可按需生成并控制氢气微气泡。通过引导气泡操纵流体流动,这项技术有望为靶向药物递送等应用铺平道路。
在实验中,他们利用超声波(声波)的能量,为芯片上3毫米区域内设置的气泡供能,以操纵液体流动。该装置在电极网格上产生这些气泡,从而实现电控。
实时微气泡控制
新构建的系统可实时编程,研究人员现在能够精确地在他们想要的时间和位置产生单个气泡,控制其大小和数量,并通过电子方式操纵它们。他们可以单独或成组控制气泡运动。这使他们能够按需引导液体流动。
据研究人员称,这项技术可能具有医学应用,因为它为创建可重构微流控装置打开了大门,这些装置可能实现精确药物递送。
“借助这个气泡阵列,我们可以实时控制气泡的大小、数量和位置,因此可以编程控制流动方向,”这项发表于《科学进展》的新研究的作者 Zhiyuan Zhang 说。
大小决定流体流动
Zhiyuan Zhang 使用了一个在康奈尔纳米尺度科学与技术设施制造的芯片,该芯片由九个排列成正方形的微小电极组成,可产生大小在10至100微米之间的气泡。
为了产生单个氢气气泡,他利用电流分解水分子。施加电压的时间越长,气泡就越大。产生气泡后,研究人员将系统暴露于声能中。这些超声波使气泡共振,产生振动,从而推动周围流体。
研究人员指出,在控制流体流动时,气泡的大小至关重要。气泡大小决定共振所需的超声频率。他们补充说,频率匹配得当会产生强流体流动。
“气泡的大小决定气泡的共振频率,”康奈尔大学物理系教授伊泰·科恩说。“如果你施加40千赫兹的超声波,而气泡太小或太大,那么它不会显著振荡。但如果它的尺寸正好能在40千赫兹下共振,你就会获得大量流动,”他在一份声明中补充道。
该研究表明,可以使用单个或多个气泡产生流动。单个气泡在被调至共振时,通过将能量传递给邻近流体来产生流体流动。多个气泡可以协同工作:如果它们大小相同,就会产生对称流。对于不同大小的气泡,实验表明,最大气泡的尺寸决定流动方向。
研究人员说,通过改变气泡的位置也可以实现可编程运动,例如将流动从左转到右,或通过将五个气泡排列成L形,使流动沿曲线方向移动。同样,他们可以通过改变电压来调整流动。他们发现,更高的电压会产生一团气泡,形成快速流动。因此,只需打开超声,他们就能将气泡射向特定方向。
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