液滴流微反應(yīng)器依賴于高頻率可控尺寸的液滴的制備；同時(shí)，基于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或者分析的需要，產(chǎn)生的微液滴常常需要進(jìn)行下一步的聚并和分裂等。實(shí)現(xiàn)這些微液滴行為控制最簡(jiǎn)單的方法就是利用微通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，或者輔以外場(chǎng)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)和微加熱原件等）來調(diào)控微液滴的各種行為。本文主要討論無外場(chǎng)條件下的水力學(xué)結(jié)構(gòu)的作用。

1 微液滴的生成

液滴的生成實(shí)際上是一相流體在另一相不互溶或部分互溶流體中的分散過程，一般利用不同的設(shè)備結(jié)構(gòu)來形成不穩(wěn)定表面而產(chǎn)生。液滴的制備方法可以分為自頂向下法和自底向上法兩大類。前者包括傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌法、噴霧法、微孔乳化法以及微孔膜乳化和微通道陣列乳化等微孔介質(zhì)分散法，該類方法主要利用連續(xù)相和分散相之間的剪切力帶來的界面不穩(wěn)定性來制備大量乳液，雖然操作簡(jiǎn)單，但存在能耗大、產(chǎn)生液滴尺寸分布寬和過程不易控制等缺點(diǎn)。相比較而言，基于微流體技術(shù)的自底向上法用于制備微液滴更為靈活可控，通過在微通道內(nèi)的液滴分散可以精確地對(duì)單個(gè)液滴的尺寸、形貌和成分組成進(jìn)行控制，所產(chǎn)生的液滴具有尺寸均一和易于調(diào)控等顯著優(yōu)勢(shì)。

微通道分散根據(jù)其液滴生成位置附近的流場(chǎng)信息不同主要分為同軸流場(chǎng)中的斷裂、錯(cuò)流流場(chǎng)中的斷裂和拉伸流場(chǎng)中的斷裂等不同的方式。相對(duì)應(yīng)的通道主要是同軸環(huán)管、T 形錯(cuò)流微通道、水力學(xué)聚焦微通道等。為了提高液滴的單分散性，避免不必要的聚并過程發(fā)生，往往在連續(xù)相或分散相加入表面活性劑來降低兩相之間的界面張力，使液滴更為穩(wěn)定地存在。對(duì)于液滴的分散規(guī)律的研究是最先發(fā)展起來的分支，主要針對(duì)液滴的尺寸控制、分散過程中的流型轉(zhuǎn)化、通道結(jié)構(gòu)等基本參數(shù)的影響等，在此不再贅述。

2 微液滴的聚并與分裂

液滴微流控相比連續(xù)流微流控的優(yōu)勢(shì)之一在于其高通量和易于放大的特性，便于進(jìn)行平行反應(yīng)。當(dāng)液滴內(nèi)包含有某種反應(yīng)試劑時(shí)，不同液滴之間的聚并可以有效地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物之間的接觸混合，同時(shí)也是控制液滴內(nèi)部組分濃度的有效手段。很多情況下，單個(gè)液滴就是一個(gè)微型反應(yīng)器，再通過使一個(gè)液滴分裂成兩個(gè)甚至多個(gè)更小的液滴，很容易實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器數(shù)量的放大和體積的縮小，從而提高混合和反應(yīng)的效率。因此，微液滴的聚并與分裂是使其成為理想微反應(yīng)器的重要保障，如何可控地在微通道中實(shí)現(xiàn)液滴的聚并和分裂是一個(gè)重要的研究方向。要實(shí)現(xiàn)液滴的聚并融合，原則上只需減小液滴之間的距離使其可以相互接觸。

要達(dá)到這一目的，一般可以通過 4 種方式來實(shí)現(xiàn)：通道結(jié)構(gòu)變化、利用液體特定的理化性質(zhì)、熱毛細(xì)效應(yīng)以及電場(chǎng)融合。其中，巧妙設(shè)計(jì)微通道的結(jié)構(gòu)是最為直接簡(jiǎn)單的方式。圖 2 給出了幾種典型的通道結(jié)構(gòu)變化，其基本原理都是突然降低前面一個(gè)液滴的流速使后面的液滴可以“追趕”上來與其接觸融合。綜合利用“梳齒”狀通道結(jié)構(gòu)變化和外場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了液滴的可控聚并。通過在通道腔室內(nèi)設(shè)計(jì)多個(gè)支柱組來增加流動(dòng)阻力，使前一個(gè)液滴在腔室內(nèi)減速至停止運(yùn)動(dòng)，等待和下一個(gè)液滴融合直至水力學(xué)壓力超過表面張力，融合的液滴開始繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

該結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)支柱組的間距和數(shù)目以及融合液滴的尺寸和運(yùn)動(dòng)速度來控制融合過程。該體系中水相液滴的融合可以在40s內(nèi)完成，因此液滴內(nèi)的組分混合可以高效進(jìn)行，兩個(gè)液柱的混合周期在7ms左右。進(jìn)一步，它們?cè)谌诤锨皇覂?nèi)加入電場(chǎng)，拓展了體系的適用范圍，在表面活性劑存在的體系中也可以實(shí)現(xiàn)液滴的可控融合。支柱組的存在使得液滴之間的距離足夠近，電場(chǎng)的存在破壞了液滴間的油膜有效地促進(jìn)了融合過程。融合之后的液滴還可以再被分散成更小的液滴，因此可以通過控制液滴體積和組成來有效調(diào)控滴內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的濃度，實(shí)現(xiàn)液滴陣列的高通量生產(chǎn)。

當(dāng)兩相流從主通道流向分支通道，此處的流線被分割成不同的部分。液滴受到流場(chǎng)的影響，當(dāng)黏性剪切力超過表面張力時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂。液滴分裂過程的研究主要集中在 T 形通道。液滴到達(dá) T 形分支點(diǎn)之后的行為取決于它的延伸長(zhǎng)度 l0和毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)Ca。B和C是發(fā)生斷裂的流型，而A區(qū)域內(nèi)不發(fā)生斷裂，斷裂的情況依賴于液滴是否能夠充滿T形分支點(diǎn)（C）或者和壁面之間產(chǎn)生溝槽（B）。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與二維的理論分析結(jié)果吻合得非常好，并提出了臨界長(zhǎng)度的概念。垂直線代表了斷裂發(fā)生時(shí)是否存在空腔區(qū)的臨界長(zhǎng)度l0/w，實(shí)線是參考文獻(xiàn)[40]中的理論預(yù)測(cè)結(jié)果，短劃線是參考文獻(xiàn)中的理論預(yù)測(cè)結(jié)果。在對(duì)稱的 T 形通道內(nèi)可以得到體積相同的子液滴，而非對(duì)稱的通道結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)液滴的斷裂過程產(chǎn)生很大的影響。

在母液滴的流道中設(shè)置障礙物來使得液滴被動(dòng)的斷裂，改變障礙物在流道中位置的不對(duì)稱性變化可以控制斷裂生成的兩個(gè)子液滴的相對(duì)尺寸，同時(shí)還可以設(shè)置多級(jí)障礙物，使得子液滴可以進(jìn)一步地?cái)嗔殉筛〉囊旱巍＠?/span> VOF 數(shù)值模擬的方法來計(jì)算非對(duì)稱T形通道內(nèi)（等長(zhǎng)度不等寬度）液滴的斷裂過程，并利用潤(rùn)滑理論近似的方法進(jìn)行理論分析，驗(yàn)證了其數(shù)值模擬的結(jié)果。他們研究和討論了該過程中重要的影響因素，比如液滴斷裂時(shí)間和壓降隨通道結(jié)構(gòu)的變化等。進(jìn)一步，對(duì)于該模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)還建立了預(yù)測(cè)不對(duì)稱 T 形通道內(nèi)液滴斷裂流型以及子液滴的體積比例和母液滴斷裂點(diǎn)的理論公式，與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。