中國科學技術大學工程科學學院朱志強特任副研究員、司廷教授和徐曉嶸教授在微納尺度流動理論和調控方面取得了新突破，提出了無邊界約束的開放式微流動方法，實現了從零維到三維材料的先進制造。新技術克服了傳統封閉式微通道的局限性，具有生產效率高、材料適用性廣、易于集成化和工業化等特點，在微球和微膠囊制備、增材制造、生物醫學、能源環境、傳感和微型機器人等領域展現出了重要的應用前景。結合國內外的最新進展，該團隊近期撰寫了題為《Free-Boundary Microfluidic Platform for Advanced Materials Manufacturing and Applications》的長篇綜述，發表于國際著名期刊《Advanced Materials》上。
 

圖1 先進材料制造需求導向的微流動技術開發
 

　　微流動(也稱為微納尺度流動)是流體力學的一個重要分支，主要研究微納米尺度流體的力學行為及其與物質相互作用的流動現象和規律。微流動技術以其在微納尺度上靈活操縱流體的卓越能力而成為先進材料制造領域的自然選擇。然而，傳統的微流控芯片和玻璃毛細管等技術采用封閉式通道結構，其流動過程嚴重依賴于壁面潤濕性和介質的物理化學屬性，在一定程度上限制了微流動技術的發展和應用。相比之下，開放式微流動技術具有自由的流體邊界和敞開的流動空間，能夠更靈活地引導、設計和固化流體模板，尤其適用于高粘度、高密度以及多場耦合等復雜條件下的微量流體操縱。通過開發微流動新技術，功能材料制造過程變得更加靈活、穩定和經濟。
 

圖2 微流動技術開發、先進材料制造和實際應用展示
 

　　近年來，該研究團隊在微流動技術開發與先進材料制造等方面取得了系列進展。在微流動基礎研究方面，將不穩定性理論與實驗觀測、數值模擬相結合，建立了力熱、力電等耦合條件下多相流體界面不穩定性理論方法，獲得了多介質微流動中復合射流與控制參數間的尺度律關系，揭示了流體界面擾動發展的物理規律，闡明了不同作用力對界面不穩定性及界面耦合的作用機制，理論模型成功預測了實際應用中的復合射流、電射流、熱射流等流動規律。在微流動技術開發方面，已提出了主動激勵流動聚焦、旋轉流動聚焦、動態界面剪切和可編程氣動打印等無邊界約束的新方法，自主研制了高產能、智能可控的精細霧化和功能性微膠囊制造設備，成功制備了不同結構和功能的微納顆粒、膠囊和纖維，為先進材料制造、生命科學研究、生物傳感分析等領域提供了強大的工具。在微流動實際應用方面，克服了寬Z數多界面微液滴的可編程3D打印難題，成功實現了藥物在多種外部刺激作用下的精準可控釋放，獲得了“節點+溝槽”形超快集水微纖維的精準制造，突破了基于液滴體積及響應性材料的智能信息加密及存儲，顯著提升了微型機器人在復雜環境下的運行效率等。以上系列研究成果(Journal of Fluid Mechanics, 936: A6, 2022;Journal of Fluid Mechanics, 954: A46, 2023; Lab on a Chip, 20: 1249-1258, 2020;Lab on a Chip, 17: 3168-3175, 2017; Lab on a Chip, 15: 646-649, 2015; Materials Horizons, 8: 1756-1768, 2021;Chemical Engineering Journal, 433: 134495,2022; Matter, 6: 2034-2051,2023)受到國內外同行的廣泛認可。
 

　　中國科學技術大學朱志強特任副研究員為《Advanced Materials》(2023: 2304840)論文的第一及共同通訊作者，司廷教授和徐曉嶸教授為共同通訊作者，共同作者包括工程科學學院黃芳勝特任副研究員和博士生陳天傲等。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青促會優秀會員以及省重點研發計劃等項目的資助。