微流控技術，尤其是液滴在微通道中的轉移，是現代微流體學和化學工程領域的一個重要研究方向。這種技術在囊泡制備、液滴分離、化學合成、化學分析、藥物遞送等多個領域有著廣泛的應用。然而，液滴在微尺度下的界面穿透是一個技術挑戰，因為在這個尺度下，液滴的行為受到流體動力學、界面張力和微通道結構的復雜影響。

目前跨界面的液滴轉移方法主要分為主動和被動兩種。主動方法依賴于外部場（如磁場、聲場、光場）來控制液滴的運動，雖然可以實現精確控制，但對流體性質的限制較多。被動方法則利用微流控裝置的特殊配置或流體動力學特性來實現液滴的轉移。

近來，一種利用界面張力誘導液滴在微流體界面上自發轉移的新方法受到越來越多的關注。在由兩個連續相和分散液滴形成平行流動的三相系統中，液滴會在界面張力的作用下從一個連續相轉移到另一個連續相。這種方法由于液滴尺寸較小，液滴在界面上的轉移過程通常伴隨著徑向位移。但是，使用主動或被動方法都很難使液滴在微通道中徑向移動。考慮到液體的流動性，改變液滴與界面之間的相對位置和接觸模式在促進液滴轉移方面具有巨大潛力。然而，關于液滴轉移機理的研究十分有限，也沒有提出準確的流動模式預測方程。

為解決上述問題，近期，來自天津大學的研究人員觀察了液滴轉移的新型流動模式并研究了其機理，從而提出了確定液滴轉移臨界條件的精確預測方程。同時，還觀察到了液膜夾帶，這導致了水包油系統的形成。該研究為進一步研究液滴傳遞機理提供了有價值的參考，并為其工業應用提供了實際指導。相關研究成果以“Spontaneous Transfer of Droplets across a Microfluidic Liquid–Liquid Interface”為題，發表在American Chemical Society期刊上。

具體而言，本研究首先構建了一個三相微流控系統，用于觀察和分析液滴在微通道中的轉移行為。實驗中使用的三相系統由兩種水相（富含三鈉檸檬酸鹽（TSC）的水相和富含聚乙二醇（PEG）的水相）以及一種油相（離子液體[BMIM]PF?）組成。微通道在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板上通過精密數控（CNC）機床加工而成。微通道由三個T型結構組成，每個部分的橫截面為矩形，高度和寬度均為0.4 mm。[BMIM]PF?和TSC分別從微通道頂部的兩個入口注入，而PEG從底部的入口注入。使用精密注射泵調節流體的流速，[BMIM]PF?的流速設置為0.5、1、1.5和2 mL/h，TSC和PEG的流速范圍分別為0.02 ~ 1.9 mL/h和1.5 ~ 3 mL/h。使用高速攝像機記錄液滴的行為，拍攝速度根據流模式的不同在500到5000 fps（幀每秒）之間變化。通過這些精心設計的實驗方法和系統，研究人員能夠詳細觀察和分析液滴在微通道中的轉移過程，從而深入理解液滴與界面相互作用的機制，并提出了相應的預測模型。這些實驗結果對于微流控技術的發展具有重要的科學和工程意義。

圖1微通道結構示意圖，藍色箭頭表示微通道中流體的流動方向

在該研究中，研究人員觀察到三種液滴轉移模式：完全轉移、部分轉移和非轉移。（1）完全轉移模式：當PEG插塞長度達到臨界值時，液滴可以完全穿過油水界面，形成水/水系統。此模式包括三個階段：變形階段、積累階段和轉移階段。（2）部分轉移模式：當PEG插塞長度不足臨界值時，液滴僅部分穿過界面，形成油/水/水系統。（3）非轉移模式：當PEG插塞長度遠小于臨界值時，液滴無法穿過界面。

圖2 液滴的三種轉移模式：完全轉移、部分轉移和非轉移

通過分析液滴在微通道中的變形、積累和轉移階段，該研究揭示了液滴與界面相互作用的復雜機制。其中，液膜阻力和驅動力的相互作用是決定液滴能否成功穿越界面的關鍵因素。液膜的厚度、界面的接近速度以及液膜內部的流動都對液膜阻力有顯著影響。液膜的破裂是液滴成功穿越界面的關鍵步驟，這一過程受到界面張力和分子間作用力的共同影響。通過計算PEG液體塞的臨界長度和液膜排空時間，可以預測不同流型。該研究給出了流動模式預測方程。研究結果顯示，預測方程與實驗結果吻合良好，表明方程的準確性。此外，通過比較液滴在主通道中的停留時間和液膜排空時間，可以準確預測不同轉移模式。

圖3液滴轉移過程中液膜阻力和驅動力的相互作用

此外，研究人員通過比較液滴在主通道的停留時間和液膜排水時間，繪制了流模式圖。該圖清晰地展示了不同流模式的邊界條件，為實驗操作提供了直觀的指導。流動模式圖的應用可以幫助研究人員在實際的微流控實驗中預測和控制液滴的轉移行為，從而實現更精確的實驗結果。

圖4 流模式圖

綜上所述，該研究不僅觀察到了一種新的液滴轉移流動模式，而且還提出了一個準確的預測方程來確定液滴轉移的臨界條件。這對于理解和控制微流控系統中液滴的行為至關重要。此外，研究還觀察到了液膜的卷入現象，這導致了油包水包水（O/W/W）系統的形成，這對于開發新型微流控裝置和集成微流控系統具有重要的參考價值。

圖5W/W系統和O/W/W系統形成的流型圖

展望未來，研究人員可以從以下方面繼續優化該研究。

（1）界面張力在微流控中的應用：研究強調了界面張力在微流控系統中的重要性，提示未來研究可以進一步探索界面張力在液滴操控、相分離和微反應器設計中的應用。

（2）多相系統的設計與優化：通過觀察到的油包水包水（O/W/W）系統的形成，未來的研究可以探索更多復雜的多相微流控系統設計，以及這些系統在化學反應、生物工程和材料科學中的應用。

（3）液滴轉移機制的深入理解：研究提出了液滴轉移的預測方程和流動模式圖，這為未來研究提供了一個框架，以更深入地理解液滴在微通道中的流動行為和動力學。

（4）微流控裝置設計的改進：論文中提出的預測工具和流模式圖可以指導微流控裝置的設計，幫助研究人員優化設備結構，提高液滴操控的精確度和效率。

（5）跨學科研究的促進：液滴轉移的研究涉及流體力學、界面科學、材料科學等多個領域，鼓勵跨學科合作，以解決微流控技術中的復雜問題。

（6）實驗與模擬的結合：未來的研究可以結合實驗觀察和數值模擬，以更全面地理解液滴在微通道中的轉移過程，特別是在復雜流體相和微結構條件下的行為。

（7）實際應用的拓展：研究結果為微流控技術在藥物遞送、生物檢測、化學合成等領域的應用提供了新的思路，鼓勵研究人員將這些基礎研究成果轉化為實際應用。

審核編輯：黃飛