【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院帥永教授、王兆龍教授團隊在微納流體器件領(lǐng)域取得突破性進展，創(chuàng)新研發(fā)出基于仿生螺旋微流控泵的三相動態(tài)分離系統(tǒng)。相關(guān)成果以《仿生微流體泵用于選擇性油水分離》(Biomimetic microfluidic pumps for selective oil–water separation)為題發(fā)表于《先進科學(xué)》(Advanced Science)。該研究突破傳統(tǒng)分離技術(shù)對固定相序的依賴，開創(chuàng)了多相流體智能分選新范式。
 

　　研究團隊首創(chuàng)基于黃瓜卷須螺旋結(jié)構(gòu)的仿生彈簧微通道(SMC)，通過高精度投影微立體光刻3D打印技術(shù)實現(xiàn)微流控泵的仿生設(shè)計、極端制造與性能動態(tài)調(diào)控。該仿生功能系統(tǒng)創(chuàng)新性地融合表面潤濕性與分子極性協(xié)同機制，突破傳統(tǒng)分離器件依賴靜態(tài)多孔材料的局限，成功實現(xiàn)油-水-四氯化碳等多相體系的界面極精準(zhǔn)自主捕捉與物相高效連續(xù)分離，分離通量高達292.5 L m?² h?¹，效率穩(wěn)定超過99%，攻克了傳統(tǒng)技術(shù)界面識別困難、易堵塞等瓶頸問題(圖1)。
 

圖1.黃瓜卷須啟發(fā)的仿生彈簧微通道泵控三相時序分離系統(tǒng)
 

　　研究團隊通過多尺度力學(xué)建模揭示SMC的核心優(yōu)勢：該系統(tǒng)核心突破在于微通道的智能力學(xué)響應(yīng)特性，通過螺旋結(jié)構(gòu)的彈性形變動態(tài)調(diào)控毛細(xì)力平衡，實現(xiàn)水相0.09 m/s的超高速定向輸運，并創(chuàng)新開發(fā)預(yù)載液序控技術(shù)精準(zhǔn)操縱多相分離序列。實驗證實，濕態(tài)下直徑>700μm的SMC延展性提升30%，<500μm的微通道界面穩(wěn)定性增強200%，成功實現(xiàn)多相界面自適應(yīng)捕獲。該設(shè)計打破傳統(tǒng)微流控器件固定流道限制，結(jié)合開放式結(jié)構(gòu)有效解決孔隙堵塞難題(圖2)。
 

圖2.仿生彈簧微通道實現(xiàn)高效分離不混溶液體的多因素調(diào)控機制研究
 

　　團隊創(chuàng)新集成太陽能熱調(diào)控模塊，利用光熱效應(yīng)將高粘度原油分離速率提升至22.5 L m?² h?¹(圖3)。該技術(shù)已成功應(yīng)用于時空可控微反應(yīng)平臺構(gòu)建，通過選擇性移除隔離液相觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，在工業(yè)廢水深度處理、原油泄漏應(yīng)急回收、生物檢測芯片開發(fā)等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用價值，為工業(yè)廢水處理與生物醫(yī)學(xué)檢測提供了全新范式。
 

圖3.仿生彈簧微通道實現(xiàn)高效溢油分離
 

　　哈工大為論文第一署名單位，能源科學(xué)與工程學(xué)院帥永教授、王兆龍教授，香港理工大學(xué)王鉆開教授和中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所董智超研究員為論文共同通訊作者，能源科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生李銀峰作為核心成員參與相關(guān)研究工作。
 

　　該研究得到國家自然科學(xué)基金及相關(guān)部委基金等支持。