專利名稱：納米級流體混合方法及其混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體體積為納米級條件下的混合方法以及適用于該方法的納米級流體混合器。
背景技術(shù)：
納米流動系統(tǒng)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于納米科技及生物科技中，比如微納機電系統(tǒng)、DNA及蛋白質(zhì)的分析、芯片實驗室、微量化學反應(yīng)器等。納米通道的中流體混合在一些應(yīng)用中是非常重要的影響因素，比如化學反應(yīng)器重兩種試劑的均勻混合。當雷諾數(shù)很低時，壓力驅(qū)動的流動在簡單通道中呈現(xiàn)為層流，此時流體的混合完全依賴于自然擴散。在納米通道中，自然擴散的混合過程異常緩慢，Peclet數(shù)(Pe=Vl/D，式中V為流動速度，I為流道截面的特征長度，D為擴算率)巨大，此時擴散所需要的距離Af U*(l2/D)=Pe*l，Δ y Pe的增大成正比增大。在納米通道中，Ay會達到cm量級，與納米通道相比，此值巨大。
鑒于此，本發(fā)明旨在探索一種納米級流體混合方法以及適用于該方法的納米級流體混合器，該納米級流體混合方法能夠有效加快液體在納米級微觀條件下的混合速率，提高混合效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種納米級流體混合方法及其混合器，該納米級流體混合方法能夠有效加快液體在納米級微觀條件下的混合速率，提高混合效率。要實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明首先提出了一種納米級流體混合方法，包括如下步驟
1)將需要混合的至少兩種液體注滿混合流道；
2)向混合流道的上下兩側(cè)分別注入至少一個氣泡；
3)驅(qū)動氣泡和液體相對運動，液體在氣泡的帶動作用下混合。進一步，所述混合流道的容積為O. lnm3_lum3。進一步，所述混合流道采用混合液體的非親潤物質(zhì)制成，所述非親潤物質(zhì)與液體之間的接觸角為90° -180°。本發(fā)明還提出了一種納米級流體混合器，包括容器和驅(qū)動裝置，所述容器內(nèi)設(shè)有混合流道，所述混合流道上設(shè)有進液口和出氣口，且所述進液口和出氣口分別設(shè)置在混合流道的上下兩側(cè)；所述驅(qū)動裝置包括用于驅(qū)動所述容器做旋轉(zhuǎn)運動或往復運動的驅(qū)動機構(gòu)。進一步，所述混合流道的深度為Ι-lOnm，所述混合流道的容積為O. lnm3-lum3。進一步，所述容器采用混合液體的非親潤物質(zhì)制成。
進一步，所述混合流道呈環(huán)形，所述驅(qū)動機構(gòu)為驅(qū)動所述容器做旋轉(zhuǎn)運動的電機。進一步，所述混合流道在徑向方向上的寬度為3_98nm，所述混合流道中心線的半徑為 5-100nm。進一步，所述混合流道呈直線形，所述驅(qū)動機構(gòu)包括電機和用于驅(qū)動所述容器做往復運動的連桿機構(gòu)。進一步，所述連桿機構(gòu)包括容器座、與電機同步轉(zhuǎn)動的圓盤、與容器座滑動配合的滑軌和一端鉸接在所述容器座上另一端偏心鉸接在圓盤上的連桿II，所述滑軌的延伸方向位于所述圓盤的徑向方向上。本發(fā)明的有益效果為
本發(fā)明的納米級流體混合方法，采用將混合流道注滿后注入氣泡，在液體表面張力的 作用下，當液體和氣泡之間發(fā)生相對運動時，一部分液體會隨著氣泡移動，進而導致液體內(nèi)發(fā)生不規(guī)則運動，這樣的不規(guī)則紊亂運動會加快液體之間的混合，使得液體混合速率加快，提聞液體混合效率。本發(fā)明的納米級流體混合器，通過在混合流道的上下兩側(cè)分別設(shè)置進液口和出氣口，可方便在液體注滿混合流道后在液體的上下兩側(cè)注入氣泡，在驅(qū)動裝置的作用下，驅(qū)動容器做轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運動或往復運動，進而使得氣泡和液體之間發(fā)生相對運動，加快液體混合速率。需要說明的是本文所述的納米級液體是指液體的體積為納米級，即液體體積為lCT3nm3-lum3。


圖I為本發(fā)明納米級流體混合器第一實施例的容器結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖I的A-A截面 圖3為本發(fā)明納米級流體混合器第二實施例的容器結(jié)構(gòu)示意 圖4為本實施例納米級流體混合器的連桿機構(gòu)示意 圖5為本發(fā)明納米級流體混合方法中混合流體與混合流道的模擬 圖6為混合流道壁以Vwall=O. 4的速率剪切混合流體運動時各層混合液體的速率分布
圖7為混合流道壁以Vwall=O. 6的速率剪切混合流體運動時各層混合液體的速率分布
圖8為混合流道壁以Vwall=O. 8的速率剪切混合流體運動時各層混合液體的速率分布
圖9為混合流道壁以Vwall=L O的速率剪切混合流體運動時各層混合液體的速率分布圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明。第一實施例
如圖I和圖2所示，為本發(fā)明納米級流體混合器第一實施例的容器結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例的納米級流體混合器，包括容器I和驅(qū)動裝置，容器I內(nèi)設(shè)有混合流道2，混合流道2上設(shè)有進液口 3和出氣口 4，且進液口 3和出氣口 4分別設(shè)置在混合流道2的上下兩側(cè)；驅(qū)動裝置包括用于驅(qū)動容器I作旋轉(zhuǎn)運動或往復運動的驅(qū)動機構(gòu)。本實施例的容器I包括流道芯片Ia和流道蓋片lb，混合流道2設(shè)置在流道芯片Ia的上表面上，并用流道蓋片Ib蓋住密封，流道蓋片Ib上設(shè)有進液口 3，流道芯片Ia的下表面上設(shè)有出氣口 4。 本實施例的混合流道2呈環(huán)形，驅(qū)動機構(gòu)為驅(qū)動容器I做旋轉(zhuǎn)往復運動的電機，混合流道2在徑向方向上的寬度為3-98nm，混合流道I中心線的半徑為5_100nm。采用該結(jié)構(gòu)的容器I結(jié)構(gòu)簡單，能夠方便驅(qū)動容器I做旋轉(zhuǎn)運動。本實施例的混合流道2的深度為Ι-lOnm，混合流道2的容積為O. Inm3-Ium3,混合流道2的合適深度能夠使得液體的紊亂流動對液體混合的作用更好。本實施例的納米級流體混合器，通過在混合流道2的上下兩側(cè)分別設(shè)置進液口 3和出氣口 4，可方便在液體注滿混合流道2后在液體的上下兩側(cè)注入氣泡，在驅(qū)動裝置的作用下，驅(qū)動容器I做往復運動，進而使得氣泡和液體之間發(fā)生相對運動，加快液體混合速率。第二實施例·
如圖3所示，為本發(fā)明納米級流體混合器第二實施例的容器結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例的納米級流體混合器，包括容器I和驅(qū)動裝置，容器I內(nèi)設(shè)有混合流道2，混合流道2上設(shè)有進液口 3和出氣口 4，且進液口 3和出氣口 4分別設(shè)置在混合流道2的上下兩側(cè)；驅(qū)動裝置包括用于驅(qū)動容器I作旋轉(zhuǎn)運動或往復運動的驅(qū)動機構(gòu)。本實施例的容器I包括流道芯片Ia和流道蓋片Ib,混合流道2設(shè)置在流道芯片Ia的上表面上,并用流道蓋片Ib蓋住密封，流道蓋片Ib上設(shè)有進液口 3，流道芯片Ia的下表面上設(shè)有出氣口 4。本實施例的混合流道2呈直線形，驅(qū)動機構(gòu)包括電機和用于驅(qū)動容器I做左右往復運動的連桿機構(gòu)。本實施例的連桿機構(gòu)包括容器座5、與電機同步轉(zhuǎn)動的圓盤6、與容器座5滑動配合的滑軌7和一端鉸接在容器座5上另一端偏心鉸接在圓盤6上的連桿8，滑軌7的延伸方向位于圓盤6的徑向方向上。通過圓盤6的旋轉(zhuǎn)運動，能夠轉(zhuǎn)換為容器座5的往復直線運動。下面結(jié)合第一實施例的納米級流體混合器對本發(fā)明的納米級流體混合進行詳細說明。本實施例的納米級流體混合方法，包括如下步驟
1)將需要混合的至少兩種液體注滿混合流道2，防止由于混合流道2內(nèi)的空氣太多形不成氣泡，混合流道的容積為O. Inm3-Ium3 ；
2)向混合流道2的上下兩側(cè)分別注入至少一個氣泡，在實際操作過程中，可以從上側(cè)的進液口 3向混合流道2注入氣泡，并從下側(cè)的出氣口 4向混合流道2注入氣泡，并保證混合液體的上下兩側(cè)分別至少有一個氣泡；
3)驅(qū)動氣泡和液體相對運動，液體在氣泡的帶動作用下混合，當混合流道2為環(huán)形時，可直接采用電機驅(qū)動容器I做旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)ι- ο圈即可完成液體之間的均勻混合。進一步，混合流道2采用混合液體的非親潤物質(zhì)制成，非親潤物質(zhì)與液體之間的接觸角為90° -180°，每一種液體的非親潤物質(zhì)均各不相同，當需要多種液體混合時，應(yīng)當選取這些混合液體共同的非親潤物質(zhì)來制作混合流道。采用液體的非親潤物質(zhì)制作的混合流道2，能夠防止氣泡懸浮在液體中，保證氣泡位于與混合流道2始終保持接觸。具體的，當混合流道2的容積為O. Inm3,且驅(qū)動裝置驅(qū)動容器I旋轉(zhuǎn)10圈，液體之間能夠混合均勻；當混合流道2的容積為lnm3，且驅(qū)動裝置驅(qū)動容器I旋轉(zhuǎn)8圈，液體之間能夠混合均勻；當混合流道2的容積為lOOnm3，且驅(qū)動裝置驅(qū)動容器I旋轉(zhuǎn)4圈，液體之間能夠混合均勻；當混合流道2的容積為lum3，且驅(qū)動裝置驅(qū)動容器I旋轉(zhuǎn)I圈，液體之間能夠混合均勻。即混合液體的體積越到，所需要轉(zhuǎn)動的圈數(shù)可以減少。本實施例的納米級流體混合方法，采用將混合流道2注滿后注入氣泡，在液體表面張力的作用下，當液體和氣泡之間發(fā)生相對運動時，一部分液體會隨著氣泡移動，進而導致液體內(nèi)發(fā)生不規(guī)則運動，這樣的不規(guī) 則紊亂運動會加快液體之間的混合，使得液體混合速率加快，提高液體混合效率。下面對本發(fā)明納米級流體混合方法的混合原理進行分析說明。如圖5所示，為本發(fā)明納米級流體混合方法中混合流體與混合流道的模擬圖。由于混合流道采用混合液體的非親潤物質(zhì)制成，氣泡會產(chǎn)生于混合流道壁上。將混合流道在上下兩流道壁之間均分為20層，設(shè)定上層混合流道壁以Vwall的速率剪切混合流體運動，測得的各層混合流體的宏觀速度由圖6-9所示，圖中還示出了沒有氣泡時，流道壁在相同的條件對混合液體的剪切運動對各層混合液體的影響。通過對比可知，納米氣泡間吸引力的存在加快了靜止一側(cè)混合流道壁附近流體的流動速度，同時減緩了靠近運動一側(cè)混合流道壁附近流體的速度；其次可以發(fā)現(xiàn)，具有氣泡時各層宏觀流動速度是非線性的，表明納維-斯托克斯方程在此不再適用，氣泡的存在攪亂了混合液體內(nèi)部流場，所以混合流道的氣泡能應(yīng)用于促進納米級流體在納米尺度的混合。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種納米級流體混合方法，其特征在于包括如下步驟 1)將需要混合的至少兩種液體注滿混合流道； 2)向混合流道的上下兩側(cè)分別注入至少一個氣泡； 3)驅(qū)動氣泡和液體相對運動，液體在氣泡的帶動作用下混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米級流體混合方法，其特征在于所述混合流道的容積為O. Inm3-Ium30
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米級流體混合方法，其特征在于所述混合流道采用混合液體的非親潤物質(zhì)制成，所述非親潤物質(zhì)與液體之間的接觸角為90° -180°。
4.一種適用于如權(quán)利要求1-3任一項所述納米級流體混合方法的納米級流體混合器，其特征在于包括采用容器和驅(qū)動裝置，所述容器內(nèi)設(shè)有混合流道，所述混合流道上設(shè)有進液口和出氣口，且所述進液口和出氣口分別設(shè)置在混合流道的上下兩側(cè)；所述驅(qū)動裝置包括用于驅(qū)動所述容器做旋轉(zhuǎn)運動或往復運動的驅(qū)動機構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米級流體混合器，其特征在于所述混合流道的深度為I-IOnm,所述混合流道的容積為O. lnm3_lum3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米級流體混合器，其特征在于所述容器采用混合液體的非親潤物質(zhì)制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米級流體混合器，其特征在于所述混合流道呈環(huán)形，所述驅(qū)動機構(gòu)為驅(qū)動所述容器做旋轉(zhuǎn)運動的電機。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米級流體混合器，其特征在于所述混合流道在徑向方向上的寬度為3-98nm,所述混合流道中心線的半徑為5-100nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米級流體混合器，其特征在于所述混合流道呈直線形，所述驅(qū)動機構(gòu)包括電機和用于驅(qū)動所述容器做往復運動的連桿機構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米級流體混合器，其特征在于所述連桿機構(gòu)包括容器座、與電機同步轉(zhuǎn)動的圓盤、與容器座滑動配合的滑軌和一端鉸接在所述容器座上另一端偏心鉸接在圓盤上的連桿II，所述滑軌的延伸方向位于所述圓盤的徑向方向上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米級流體混合方法，包括如下步驟1)將需要混合的至少兩種液體注滿混合流道；2)向混合流道的上下兩側(cè)分別注入至少一個氣泡；3)驅(qū)動氣泡和液體相對運動，液體在氣泡的帶動作用下混合。本發(fā)明還公開了一種納米級流體混合器，包括采用容器和驅(qū)動裝置，所述容器內(nèi)設(shè)有混合流道，所述混合流道上設(shè)有進液口和出氣口，且所述進液口和出氣口分別設(shè)置在混合流道的上下兩側(cè)；所述驅(qū)動裝置包括用于驅(qū)動所述容器做旋轉(zhuǎn)運動或往復運動的驅(qū)動機構(gòu)。該納米級流體混合方法能夠有效加快液體在納米級微觀條件下的混合速率，提高混合效率。
文檔編號B01F13/02GK102895905SQ20121041610
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者解輝, 劉朝 申請人:重慶大學