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，因為微尺度流體環(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)境的這些特點來設(shè)計新型高性能的膠體微器件是軟凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域的一個熱點方向。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心軟物質(zhì)實驗室SM08組在利用膠體的各向異性泳效應(yīng)設(shè)計微器件方面進行了一系列的探索。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導(dǎo)致的膠體粒子在溶液中的定向遷移運動，例如溶質(zhì)濃度梯度導(dǎo)致的擴散泳、溫度梯度導(dǎo)致的熱泳。泳驅(qū)動力來源于粒子與周圍非均勻流體的相互作用。對于通常的球形膠體粒子，泳力的方向平行于梯度場。SM08組的楊明成與合作者首次提出非對稱的膠體粒子具有各向異性的泳效應(yīng)的觀點，泳力的大小及方向依賴于粒子在梯度場中的取向，并通過計算機模擬實現(xiàn)證明。由于這一效應(yīng)，非對稱粒子可以獲得垂直于梯度場的泳力分量。由兩個非對稱粒子組成的手性膠體結(jié)構(gòu)可受到平行于梯度場的泳力矩，進而單向的自轉(zhuǎn)，形成一個由擴散流驅(qū)動的微渦輪機。這樣的微渦輪可用在外界的熱梯度或化學(xué)梯度中把擴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。這種擴散流驅(qū)動的微渦輪與宏觀流驅(qū)動的渦輪機（例如風(fēng)力發(fā)電機）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，而且強度比宏觀環(huán)境中要高很多，這種梯度驅(qū)動的微渦輪特別適用于微環(huán)境之中。

　　最近，軟物質(zhì)實驗室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)計出了垂直軸微渦輪機（圖1），并通過計算機模擬驗證了它們的可行性。這種擴散流驅(qū)動的微渦輪的轉(zhuǎn)動方向垂直于外界梯度場，與之前的微渦輪機相比它工作時無需根據(jù)梯度場方向調(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。垂直軸微渦輪機的工作模式類似Darrieus類型的風(fēng)力發(fā)電機，因此這一工作也建立了擴散流驅(qū)動的微渦輪機與宏觀流驅(qū)動的渦輪機之間的完整對應(yīng)。在膠體微流泵方面，楊明成與德國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流動，因此可以被用來設(shè)計梯度場驅(qū)動的微流泵（圖2）。由于強烈的流阻效應(yīng)，在微米級的管道里長距離輸運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)點是流體的流動方向與梯度場垂直，原則上可在無限長的微管道內(nèi)輸運流體，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。該項目獲得國家自然科學(xué)基金(批準號11874397, 11674365, 11474327, 11774393)、科技部“973”項目(2015CB85680)的資助。

　　文章鏈接：1 2 

　　圖1：（左圖）擴散流驅(qū)動的微渦輪機示意圖。三對啞鈴狀粒子所構(gòu)成的手性膠體結(jié)構(gòu)處于梯度場之中，不同的粒子顏色代表不同材料，外加的梯度場可以是熱或者化學(xué)梯度。該手性結(jié)構(gòu)受到一個垂直于梯度場的泳力矩。（右圖）動力學(xué)模擬所得到的渦輪機轉(zhuǎn)角與時間的關(guān)系。在泳力矩的作用下，該膠體結(jié)構(gòu)繞其中心、垂直于梯度場單向地轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)速大小依賴梯度場的幅度，轉(zhuǎn)動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。膠體粒子受到一個垂直于溫度梯度（即平行于通道）的熱泳力。（右圖）動力學(xué)模擬所得到的流場。固定膠體棒所受到熱泳力的反作用力驅(qū)動周圍流體的定向流動，黑箭頭表示凈流場，綠箭頭表示蝸旋流場，顏色代表流速。