磁性微纳米颗粒的制备及其在微流体操控应用中的研究

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微纳米颗粒在生物医学、材料、水处理、流场显示等多个领域有广泛应用,由于微纳米颗粒尺寸较小的特征,使微纳米颗粒的精准操控成为目前微纳米颗粒领域的研究难点之一。磁性微纳米颗粒作为一类具有可操控性的微纳米颗粒,具有其独特的优势,如在不接触颗粒的情况下,磁场可以对颗粒进行运动导向,具有产生方式简单、操控方便等特点,在医学治疗、环境污染物治理等方向有着重要应用,因此磁性微纳米颗粒领域的课题得到了众多科研人员的关注。本文首先介绍微纳米颗粒操控及磁性微纳米颗粒的研究背景,通过电子镀覆法和溶剂热法分别制备了均匀型纳米Fe3O4磁性颗粒、非均匀型微米Pt-Ni-Si O2磁性颗粒。基于磁场操控微纳米颗粒的优势,设计出一套由信号发生器、功率放大器、亥姆霍兹线圈等设备组成的磁场操控平台。在此基础上开展了如下两方面的研究:(1)利用均匀型磁性颗粒研究集群磁性纳米颗粒磁场下的行为运动,在Z轴方向施加一个振荡均匀磁场后,磁性颗粒会形成竖直链状,通过对磁链形成机理进行分析研究,给出了磁性微纳米颗粒的成链模型,并实验探究了频率、电压、颗粒浓度等因素对成链的影响。结果表明:其他条件一定时,随着频率的增大,更不容易成链,这是由于与成链的弛豫时间相比,磁场方向变化太快,不利于磁性颗粒的互相吸引;同时在一定范围内增大电压,即增大磁场强度,更容易成链,本文给出了频率-电压的相图,划分了最佳成链区域;同时,增大颗粒的浓度,颗粒间的间距变近,成链的速度也会变快。针对目前微尺度下气泡溃灭时流场显示存在的如示踪粒子难选择、拍摄帧率有限等问题,本研究探索了一种新的流场显示方法,利用磁链替代示踪粒子,通过气泡溃灭时邻近竖直磁链的变化来实时反映流场的变化,克服了原有气泡溃灭流场显示方法中的一些困难。(2)利用电子镀覆法制备的这种非均匀Pt-Ni-Si O2磁性颗粒,一方面可以通过气泡驱动颗粒运动,另一方面的优势更在于磁场对运动方向的控制,在H2O2溶液中完成了定向运动路径实验,实现了微尺度下的微纳米颗粒运动的精准操控。结果表明,Pt-Ni-Si O2磁性颗粒在H2O2溶液中可以通过化学反应生成气泡,气泡的生长溃灭过程提供颗粒前进的驱动力,这时驱动方向是无序的,但通过磁场对颗粒运动方向的改变,使磁性颗粒可以在定向路径上运动,并在此基础上,初步探索了磁场操控磁性颗粒在颗粒加载方面的应用。综上所述,本文设计一套精准的磁场操控平台,并制备两种不同类型磁性颗粒;研究了均匀型磁性颗粒在磁场下的成链的机理,给出成链模型,通过实验研究了不同因素对成链的影响。探索了一种新的流场显示方法,利用磁性纳米链对微尺度下气泡溃灭时的流场进行显示;还通过气泡驱动-磁场导航的方式,对非均匀型磁性颗粒进行精准操控,实现了微尺度下微纳米磁性颗粒的定向导航运动,并对微尺度下操控磁性颗粒在颗粒加载方面的应用进行了初步实验研究。
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