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量子点(QDs)在生物医用、发光器件等领域都有广泛的应用和巨大的市场潜力。目前,采用微反应方法合成量子点,利用微反应器的结构特性,在微槽道内实现快速混合与高效合成,满足量子点的粒径、尺寸分布的要求,合成高质量的量子点,具有极高的科学研究前景和应用价值。
本文针对量子点微合成系统,使用商用计算流体动力学(CFD)仿真软件预测了微槽道内各种条件下的二维流场,定性分析了不同的槽道结构、气液两相流以及流速的影响;对微流控芯片进行结构设计、加工制作;同时将设计制作的微芯片用于CdSe量子点合成实验,通过改变实验条件来验证CFD仿真的结果。本文主要研究工作及结论如下:
(1)使用ICEM作为网格工具,采用CFD软件CFX和Fluent分别对气-液两相流的稳态流场及瞬态流场进行了仿真,结果表明:弯曲槽道能够强化混合;气液两相流使得微槽道中心最大流速(20.17 mm/s)远小于单相流(39.89 mm/s),改善了流体的均匀性,有利于均一粒径量子点的合成;同时两相流之间的内循环促进了混合,且气液比为UG:UL=l时分段效果最佳。
(2)分析微槽道的尺寸、形状布局及流体的流型将会对混合、传质、传热产生的影响,采用宽度为300 μm弯曲槽道作为混合与反应的微通道,同时引入气液两相分段流以改善流型,满足量子点合成的要求。
(3)针对微槽道设计方案对芯片进行加工制作,使用6009#均胶铬版玻璃进行湿法腐蚀,硅橡胶(PDMS)注塑固化,制得槽宽约300 μm的微混合芯片,确定了实验的参数。
(4)采用微芯片配合毛细管搭建实验平台合成了CdSe量子点,测试了产物的吸收光谱,结果表明:20 s反应停留时间下弯曲混合槽道得到的吸收半峰半宽(18 nm)优于直槽道的相应结果(22 nm);在槽道内引入气液两相流后,CdSe吸收半峰半宽为16 nm,大大优于相同实验条件下单相流的结果(31 nm);实验得到的最优化的气液流量比为UG:UL=2.0 ml/h:2.0 ml/h,验证了流体仿真结果的正确性。