▍導(dǎo)讀

近年來，由于在生物醫(yī)療、環(huán)境檢測(cè)、化學(xué)分析等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，微流控芯片已成為快速發(fā)展的高新技術(shù)。其中，微混合器是微流控技術(shù)的主要功能器件，為滿足不同濃度溶液快速、完全混合的設(shè)計(jì)需求，微流體的驅(qū)動(dòng)技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)。

電滲驅(qū)動(dòng)具有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷且無脈動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)有研究電滲流動(dòng)微混合器大多是通過改變微混合器的結(jié)構(gòu)、電極排布方式、電壓等參數(shù)提高樣品的混合效率，缺乏對(duì)電滲流微混合器電極版圖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。目前，電滲流電極版圖大多基于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以大幅提升微流控器件性能。

針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所鄧永波課題組做了長(zhǎng)期的研究工作。2018年，課題組針對(duì)電滲流電極版圖設(shè)計(jì)問題發(fā)展了拓?fù)鋬?yōu)化方法[1]，該方法使材質(zhì)插值可以在Dirichlet和Newman邊界條件之間進(jìn)行，這是將拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用在控制本體性能的關(guān)鍵一步。課題組也將該方法進(jìn)一步推廣，通過拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行微泵設(shè)計(jì)以獲得更大的凈流量[2]。

近期，針對(duì)上述問題的研究又有了新的進(jìn)展，該課題組孫建文等在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄》“T1級(jí)”期刊）上發(fā)表了題為“基于拓?fù)鋬?yōu)化的電滲流微混合器電極”的封面文章。

《光學(xué) 精密工程》2023年第17期封面

▍微混合器模型建立

圖1為電滲微混合器示意圖，作者引入Helmholtz-Smoluchowsk條件將雙電子層進(jìn)行近似約束處理，通過將模型邊界條件設(shè)置成電勢(shì)與電絕緣的插值形式，將電滲流微混合器電極設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成求解插值材質(zhì)分布問題。

圖1：電滲微混合器示意圖

▍電滲流微混合器混合效果分析

為驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)電滲流微混合器電極的可行性，我們對(duì)微混合器的混合效果進(jìn)行分析驗(yàn)證。在多混合單元的設(shè)計(jì)方案下，如圖2所示，兩種不同濃度溶液的混合效果隨混合驅(qū)動(dòng)路徑增加逐漸疊加，在出口處濃度分布呈現(xiàn)有效混合。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電滲流微混合器的混合評(píng)價(jià)指數(shù)在0.05以下，滿足不同濃度溶液完全混合的設(shè)計(jì)需求。

圖2：多混合單元（ N=9）電極版圖和不同混合單元模型方案出口濃度分布

▍研究前景

本文研究基于拓?fù)鋬?yōu)化方法，建立電滲流微混合器模型，設(shè)計(jì)優(yōu)化電極版圖。該種電滲流電極設(shè)計(jì)方法減少優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的依賴，滿足不同濃度微流體完全混合的設(shè)計(jì)需求，在陸空技術(shù)方面有著重要應(yīng)用價(jià)值。

▍研究團(tuán)隊(duì)介紹

團(tuán)隊(duì)基于改進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)微納功能器件，這些器件的研究涵蓋眾多學(xué)科，如光學(xué)、流體力學(xué)等。

在光學(xué)方面，團(tuán)隊(duì)利用拓?fù)鋬?yōu)化研制超構(gòu)透鏡，試圖解決目前超構(gòu)透鏡存在版圖數(shù)據(jù)量大、難以加工、效率低、色差等問題。針對(duì)以上問題，團(tuán)隊(duì)利用拓?fù)鋬?yōu)化尋找平衡色散、轉(zhuǎn)換效率的微納單元結(jié)構(gòu)，基于幾何相位設(shè)計(jì)了531~ 780 nm的消色差超構(gòu)透鏡，該透鏡在目標(biāo)波段內(nèi)的平均效率達(dá)到53%[3]，顯著優(yōu)于目前同類別的超構(gòu)透鏡。團(tuán)隊(duì)利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的同心納米環(huán)超構(gòu)透鏡，具有低的占寬比，版圖數(shù)據(jù)量小等優(yōu)點(diǎn)。相比已有的設(shè)計(jì)方法，同等占寬比的情況下該設(shè)計(jì)方法獲得透鏡性能更優(yōu)。基于該方法團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研制出口徑為1 mm，數(shù)值孔徑0.8，分辨優(yōu)于600 nm的可見光寬譜超構(gòu)透鏡[4]。針對(duì)超構(gòu)透鏡實(shí)用化面臨的口徑難以做大的技術(shù)瓶頸問題，團(tuán)隊(duì)基于單元拼接的方法[5]研制了口徑1 cm和2 cm的可見光與紅外超構(gòu)透鏡。口徑1 cm的紅外超構(gòu)透鏡工作波段為8~12 μm，F#為1，分辨率優(yōu)于0.12 lp/mrad，口徑1 cm的可見光超構(gòu)透鏡成像清晰。截至目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)具備厘米、分米口徑超構(gòu)透鏡的研制能力。

圖3：團(tuán)隊(duì)研制的超構(gòu)透鏡相機(jī)樣機(jī)與成像結(jié)果

團(tuán)隊(duì)也通過內(nèi)部開發(fā)的拓?fù)鋬?yōu)化算法設(shè)計(jì)金屬、介質(zhì)等微納結(jié)構(gòu)用于電磁場(chǎng)增強(qiáng)、光學(xué)異常透射、光學(xué)波導(dǎo)、電磁隱身等相關(guān)應(yīng)用[6-9]。這些研究工作對(duì)于在集成光子學(xué)領(lǐng)域中構(gòu)建光學(xué)傳感器件以及利用微納結(jié)構(gòu)操縱和引導(dǎo)光具有指導(dǎo)意義。

在流體力學(xué)方面，團(tuán)隊(duì)提出了基于連續(xù)伴隨分析的流體力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法，解決了固液界面紋理的設(shè)計(jì)難題，并原創(chuàng)的提出了流形上的拓?fù)鋬?yōu)化方法，將拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間擴(kuò)展到了二維流形上[10-12]。利用以上方法團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了獲取周期性固液界面紋理微結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格數(shù)學(xué)模型，通過極小化液汽界面所支撐液體凸起的體積，增強(qiáng)了紋理化固體表面的儲(chǔ)氣能力，這些工作對(duì)疏水表面研制和流體力學(xué)減阻具有重要意義[13]。

圖4：表面微納結(jié)構(gòu)及固體表面液體黏附力的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將多年在拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域的研究成果整理出版了兩本學(xué)術(shù)專著[14,15]（Adjoint Topology Optimization Theory for Nano-Optics ；Topology Optimization Theory for Laminar Flow），感興趣的讀者可以閱讀。

圖5：團(tuán)隊(duì)出版的兩本拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域的學(xué)術(shù)專著

▍論文信息

孫建文, 張健宇, 李博文, 等. 基于拓?fù)鋬?yōu)化的電滲流微混合器電極[J]. 光學(xué)精密工程, 2023,31(17):2515-2524. DOI：10.37188/OPE.20233117.2515.

https://ope.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20233117.2515

▍作者簡(jiǎn)介

鄧永波，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所研究員、博士生導(dǎo)師，入選2018年德國洪堡資深學(xué)者；以第一作者出版Springer英文專著2部；在 CMAME、JCP等權(quán)威期刊和IEEE MEMS、Transducers等領(lǐng)域頂級(jí)國際會(huì)議上累計(jì)發(fā)表論文60篇，獲得授權(quán)中國發(fā)明專利14項(xiàng)；入選2022年中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)；獲得2016和2017年卡爾斯魯厄理工大學(xué)客座教授獎(jiǎng)；入選中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員和IEEE學(xué)會(huì)、中國微納技術(shù)學(xué)會(huì)等高級(jí)會(huì)員。

▎參考資料

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[11] Deng, Y., et al., Topology optimization of steady Navier–Stokes flow with body force. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2013. 255: p. 306-321.

[12] Deng, Y., Z. Liu, and J.G. Korvink, Topology optimization on two-dimensional manifolds. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2020. 364: p. 112937.

[13] Deng, Y., et al., Inversely designed micro-textures for robust Cassie–Baxter mode of super-hydrophobicity. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2018. 341: p. 113-132.

[14] Deng, Y., Adjoint Topology Optimization Theory for Nano-Optics. 2022, Singapore: Springer, Singapore.

[15] Deng, Y., Y. Wu, and Z. Liu, Topology optimization theory for laminar flow. Springer Singapore, Singapore, 2018. 10: p. 978-981.

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