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膠體溶液由介觀尺寸（1納米-10微米）的粒子懸浮在流體溶劑之中所構(gòu)成。由于膠體粒子和微流通道在尺寸上的天然匹配，以及膠體合成與微納流技術(shù)的快速發(fā)展，近年來膠體粒子經(jīng)常被用來制作微流器件，在微流環(huán)境中執(zhí)行特定任務(wù)。膠體微器件不僅具有重要的應(yīng)用價(jià)值，而且由于其工作于非平衡且熱漲顯著的環(huán)境中，也為研究非平衡統(tǒng)計(jì)物理提供了理想的模型系統(tǒng)。

膠體微器件的開發(fā)并不只是把宏觀器件縮小到介觀尺度的技術(shù)問題，因?yàn)槲⒊叨攘黧w環(huán)境具有與宏觀尺度完全不同的物理特征，例如：（1）表面與體積比很大，以至于表面效應(yīng)十分重要，（2）熱漲落顯著，（3）雷諾數(shù)低。如何根據(jù)微流環(huán)境的這些特點(diǎn)來設(shè)計(jì)新型高性能的膠體微器件是軟凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心軟物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室SM08組在利用膠體的各向異性泳效應(yīng)設(shè)計(jì)微器件方面進(jìn)行了一系列的探索。泳效應(yīng)(phoresis)是一類重要的表面物理效應(yīng)，它指的是外加梯度場(chǎng)導(dǎo)致的膠體粒子在溶液中的定向遷移運(yùn)動(dòng)，例如溶質(zhì)濃度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散泳、溫度梯度導(dǎo)致的熱泳。泳驅(qū)動(dòng)力來源于粒子與周圍非均勻流體的相互作用。對(duì)于通常的球形膠體粒子，泳力的方向平行于梯度場(chǎng)。SM08組的楊明成與合作者首次提出非對(duì)稱的膠體粒子具有各向異性的泳效應(yīng)的觀點(diǎn)，泳力的大小及方向依賴于粒子在梯度場(chǎng)中的取向，并通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)證明。由于這一效應(yīng)，非對(duì)稱粒子可以獲得垂直于梯度場(chǎng)的泳力分量。由兩個(gè)非對(duì)稱粒子組成的手性膠體結(jié)構(gòu)可受到平行于梯度場(chǎng)的泳力矩，進(jìn)而單向的自轉(zhuǎn)，形成一個(gè)由擴(kuò)散流驅(qū)動(dòng)的微渦輪機(jī)。這樣的微渦輪可用在外界的熱梯度或化學(xué)梯度中把擴(kuò)散流中的熱能或化學(xué)能轉(zhuǎn)化為有用功，這一類能量在大部分的應(yīng)用中通常都白白流失掉了。這種擴(kuò)散流驅(qū)動(dòng)的微渦輪與宏觀流驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)（例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)）工作原理有本質(zhì)不同。由于微流環(huán)境中溫度和化學(xué)梯度普遍存在，而且強(qiáng)度比宏觀環(huán)境中要高很多，這種梯度驅(qū)動(dòng)的微渦輪特別適用于微環(huán)境之中。

最近，軟物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室SM08組的研究生沈明仁（已畢業(yè)）在楊明成和研究員陳科的指導(dǎo)下利用各向異性泳效應(yīng)設(shè)計(jì)出了垂直軸微渦輪機(jī)（圖1），并通過計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證了它們的可行性。這種擴(kuò)散流驅(qū)動(dòng)的微渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向垂直于外界梯度場(chǎng)，與之前的微渦輪機(jī)相比它工作時(shí)無需根據(jù)梯度場(chǎng)方向調(diào)整轉(zhuǎn)軸指向，因而大大地提高了在大漲落的微環(huán)境中應(yīng)用的靈活性。垂直軸微渦輪機(jī)的工作模式類似Darrieus類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因此這一工作也建立了擴(kuò)散流驅(qū)動(dòng)的微渦輪機(jī)與宏觀流驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)之間的完整對(duì)應(yīng)。在膠體微流泵方面，楊明成與德國(guó)于利希研究院的合作者發(fā)現(xiàn)棒狀膠體粒子的泳力可以導(dǎo)致周圍流體垂直于梯度場(chǎng)流動(dòng)，因此可以被用來設(shè)計(jì)梯度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微流泵（圖2）。由于強(qiáng)烈的流阻效應(yīng)，在微米級(jí)的管道里長(zhǎng)距離輸運(yùn)流體一直是微流器件中的難題，而這種膠體微流泵完美地解決了這一問題。該微流泵的重要優(yōu)點(diǎn)是流體的流動(dòng)方向與梯度場(chǎng)垂直，原則上可在無限長(zhǎng)的微管道內(nèi)輸運(yùn)流體，因而在微流芯片中具有巨大的應(yīng)用潛力。

相關(guān)結(jié)果最近發(fā)表在[Phys. Rev. Applied. 12, 034051 (2019); Phys. Rev. Applied. 11, 054004 (2019)]上。該項(xiàng)目獲得國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)11874397, 11674365, 11474327, 11774393)、科技部“973”項(xiàng)目(2015CB85680)的資助。

圖1：（左圖）擴(kuò)散流驅(qū)動(dòng)的微渦輪機(jī)示意圖。三對(duì)啞鈴狀粒子所構(gòu)成的手性膠體結(jié)構(gòu)處于梯度場(chǎng)之中，不同的粒子顏色代表不同材料，外加的梯度場(chǎng)可以是熱或者化學(xué)梯度。該手性結(jié)構(gòu)受到一個(gè)垂直于梯度場(chǎng)的泳力矩。（右圖）動(dòng)力學(xué)模擬所得到的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)角與時(shí)間的關(guān)系。在泳力矩的作用下，該膠體結(jié)構(gòu)繞其中心、垂直于梯度場(chǎng)單向地轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)速大小依賴梯度場(chǎng)的幅度，轉(zhuǎn)動(dòng)方向僅取決于膠體結(jié)構(gòu)的手性而與梯度方向無關(guān)。

圖2：（左圖）溫度梯度驅(qū)動(dòng)的微流泵示意圖。棒狀膠體粒子固定于充滿液體的微通道內(nèi)，通道上下邊界墻具有不同的溫度。膠體粒子受到一個(gè)垂直于溫度梯度（即平行于通道）的熱泳力。（右圖）動(dòng)力學(xué)模擬所得到的流場(chǎng)。固定膠體棒所受到熱泳力的反作用力驅(qū)動(dòng)周圍流體的定向流動(dòng)，黑箭頭表示凈流場(chǎng)，綠箭頭表示蝸旋流場(chǎng)，顏色代表流速。