捕获微粒的惊人方法

当物理学家最近将一个微小的微粒转向圆柱形障碍物时，他们预计会发生两种结果之一。粒子要么撞到障碍物上，要么绕着障碍物航行。然而，粒子也没有。

由西北大学和法国巴黎综合理工学院领导的研究小组惊讶和困惑地观察粒子围绕障碍物的曲线，然后粘在它的背面。障碍物似乎有效地捕获了粒子。

经过一系列的模拟和实验，研究人员揭示了这种奇怪现象背后的物理学。三个因素导致了意外的捕获行为：静电，流体动力学和周围分子的不稳定随机运动。障碍物的大小也决定了粒子在逃生前被困的时间。

可以利用新的见解来推进微流体应用和药物输送系统，这两者都依赖于微粒来导航复杂的结构化景观。

这项研究题为“一个简单的捕获：波动使微辊被障碍物捕获流体动力”，于8月<>日发表在《科学进展》杂志上。

“我完全没想到会在这个系统中看到陷阱，”西北大学的Michelle Driscoll说，他共同领导了这项研究。“但是捕获为系统增加了很多效用，因为现在我们有办法收集粒子。像捕集、混合和分拣这样的任务在如此小的尺度上很难完成。您不能只是缩小混合和分拣的标准流程，因为在这个大小限制下会启动不同类型的物理场。因此，重要的是要有不同的方法来操纵粒子。

德里斯科尔是西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学助理教授。她与巴黎综合理工学院的研究员Blaise Delmotte共同领导了这项研究。

微辊的大小与细菌相似，是合成的微观颗粒，能够在流体环境中移动。Driscoll和她的团队对微型压路机特别感兴趣，因为它们能够自由快速地在不同方向上移动，以及它们在复杂，狭窄的环境中(包括人体内)运输和交付货物的潜力。

Driscoll实验室中的微辊是塑料的，带有氧化铁芯，这使它们具有微弱的磁场。通过将微辊放入密封的微室(尺寸为100毫米×2毫米×0.1毫米)中，研究人员可以通过操纵样品周围的旋转磁场来控制它们的移动方向。为了改变微辊的移动方式，研究人员只需重新编程磁场的运动，将微辊拉向不同的方向。

但是，与没有特征的样品室相比，微流体装置和人体当然要复杂得多。因此，Driscoll和她的合作者为系统增加了障碍，以了解微型滚筒如何在环境中导航。

“对于逼真的应用，你不仅会让这个系统将粒子放在一个开放空间中，”Driscoll说。“这将是一个复杂的景观。您可能需要通过缠绕通道移动粒子。因此，我们想首先探索问题的最简单版本：一个微辊和一个障碍物。

在计算机模拟和实验环境中，Driscoll和她的团队在样品室中添加了圆柱形障碍物。有时微型滚轮绕过障碍物没有问题，但有时它会绕过障碍物摆动，然后被困在障碍物后面。

“我们看着粒子停止越过障碍物并有点卡住，”德里斯科尔说。“我们在模拟和实验中看到了相同的行为。

通过更改模拟中的参数并分析数据，Driscoll和她的团队发现样品室内流体的流体动力学产生了停滞区域。换句话说，旋转的微辊导致流体在腔室中流动。但这些流动也产生了口袋 - 包括一个直接在障碍物后面的口袋 - 流体保持静止和不流动。当粒子进入停滞区域时，它停止移动并被卡住。

但是为了到达停滞区域，粒子必须进行令人困惑的掉头。越过障碍物后，微型滚筒围绕它弯曲，粘在它的背面。Driscoll发现，流体中分子的随机运动(称为布朗运动)将微辊“踢”到停滞区域。

“微小的材料会受到布朗波动的影响，”德里斯科尔解释说。“流体实际上不是一个连续体，而是由单个的小分子组成。这些分子不断以随机方向撞击粒子。如果粒子足够小，这些碰撞可以移动它。这就是为什么如果你在显微镜下观察微小的颗粒，它们看起来像是在玩弄。

Driscoll的团队还发现，障碍物的大小控制着粒子在逃脱之前被困的时间。例如，当障碍物较小时，布朗波动更容易将粒子踢入捕获区域。通过改变障碍物的大小，研究人员可以将捕获时间增加几个数量级。

“通常，布朗波动对实验是破坏性的，因为它们是噪声源，”德里斯科尔说。“在这里，我们可以利用布朗运动来做一些有用的事情。我们可以实现这种流体动力学捕获效果。