鲁东大学陈雪叶教授团队在分形微流控领域取得系列重要进展

1.研究背景

在当今的生物医学和化学工程等领域，微流控技术因其能够精确操控微小体积的流体，在诸多应用场景中展现出巨大潜力。然而，传统微流控设备在混合效率、可控性以及成本等方面仍面临挑战。为了突破这些局限，研究人员不断探索新的设计理念和方法。分形几何作为一种描述复杂自然现象的数学工具，其自相似性和不规则性特征为微流控技术的创新提供了新的思路。在此背景下，陈雪叶教授团队将分形原理引入微流控领域，致力于开发更高效、更精确的微流控芯片。

2.成果简介

陈雪叶教授团队在分形微流控领域研究成果显著。创新应用分形原理设计微流控芯片，开发出多种高效且能精确控制流体的微混合器。发表相关sci论文60余篇，其中JCR 2区以上40余篇，以下是部分研究成果展示：

（一）基于Koch分形的交错挡板微混合器

该研究主要对交错科赫分形挡板微混合器的混合效率进行了数值研究。通过改变挡板角度和间距等，对比不同雷诺数下的混合效率。结果表明，在特定条件下（如角度为 30°，间距为 0.1mm），混合器在Re = 0.05 和 Re = 100 时混合效率超 95%。科赫分形曲线改变微通道障碍物几何形状，诱导二次或反向流，增强混沌对流和扩散强度，提升混合效率，为微混合器设计提供了新思路。

（相关文献：Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2016, 155, 19-25；International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 133, 1065-1073.; Structures, 2023, 50: 1222-1231. ）

（二）基于Murray定律的分形树状网络微混合器

该研究基于广义默里定律设计了Y型和T型微混合器。研究发现层级数量增加可提高混合效率，Y型微混合器中30°分叉角的混合性能最佳，T型微混合器中普通T型混合效率更高。在Re 0.5 - 100范围内，设计的微混合器混合效率超90%。还分析了几何参数和压降对混合效率的影响以及出口处流体浓度曲线。研究证明广义默里定律可广泛用于微混合器设计。

(相关文献：International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 141: 346–352 ；Journal of Dispersion Science and Technology, 2021, 42(10): 1439-1447.；Microsystem Technologies, 2017, 23(3), 755-763. )

（三）基于模拟退火算法的康托分形挡板微混合器

该研究基于康托分形原理对微混合器结构进行优化。通过选择与康托分形挡板几何相关的三个参数作为设计变量，以混合指数为目标函数，利用拉丁超立方抽样、响应面函数建模及模拟退火算法进行优化。结果显示，在不同雷诺数下，优化后的微混合器混合效率显著提高，如Re = 0.1、1、10和100时，相比参考设计分别提高了7.64%、17.75%、14.08%和0.91%，但压力降也有所增加，为后续研究提供了方向。

(相关文献：Chaos Solitons and Fractals, 2021, 148: 111048.; International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 183: 122159.; Scientific Reports, 2022, 12: 4162. ; Analytica Chimica Acta, 2022, 1221: 339927. )

（四）基于三目标优化方法的康托分形交流电热微混合器

该研究提出基于交流电热理论的微混合器三目标优化方法。结合分形原理，选四个设计变量，用拉丁超立方抽样确定设计点，通过响应面函数建模及遗传算法优化，得到帕累托最优面。结果显示，优化后的微混合器混合指数最高提升 19.81%，混合能量成本降低 73.16%，且多目标优化提升了其安全性和可靠性。

(相关文献：International Communications in Heat and Mass Transfer, 2022, 131: 105867.; International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 181: 121902. )

（五）基于海岸分形的壁式微混合器

该研究提出了一种基于海岸带分形的壁式微混合器，其微通道侧壁采用PWFB结构作为混合单元，研究相关参数并优化。经数值模拟和实验验证，确定混合单元数量为6、高度280μm、间距87.5μm且采用SWF布局的最佳结构，极大提高混合效率。在性能上，Re为0.1和100时混合效率达99%，比参考设计提高50.44%，得益于PWFB对分子扩散和混沌对流的增强作用，且通过改变流速，成功制备出粒径为165.12±11.6nm、PDI为0.297±0.023的脂质体，多次实验重复性好，展示了精确控制能力。

(相关文献：Physics of Fluids. 2024, 36, 1.)

（六）基于分形结构的液滴微混合器

     该研究聚焦于具有T形微通道中液滴的生成、断裂及液滴内的动态混合。研究了具有康托分形结构的液滴微混合器中液滴和栓塞的动态混合。结果表明，康托分形结构能有效增强混合效果，提高混合效率和均匀性。同时研究了不同参数对混合的影响，为优化液滴微混合器设计提供了依据。

(相关文献：Chaos Solitons and Fractals, 2022, 155: 111774.; Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2023, 45: 571.; International Communications in Heat and Mass Transfer, 2022, 135: 106124.)

（七）基于分形纳米通道表面的新型微纳流体预浓缩器

该研究提出一种具有分形纳米通道表面的新型微纳流体预浓缩器。介绍其结构设计与原理，研究了浓缩效率、选择性等性能，探讨几何参数和流体性质等影响因素。成果包括创新性结构设计及验证性能优势，推动微纳流体技术发展，在生物医学、环境监测和化学分析等领域有广阔应用前景。

(相关文献：Journal of Dispersion Science and Technology, 2021, 42(7): 1060-1072.; Applied Nanoscience, 2020, 10(1): 95-105.)

3.小结

陈雪叶教授团队在分形微流控领域成果丰硕，通过创新应用分形原理设计微混合器取得良好应用效果，多篇Top期刊论文彰显了研究深度和广度，不仅为微流控技术的发展提供了新的思路和方法，也提升了鲁东大学在相关领域的学术声誉。未来，陈雪叶教授团队将向生物医学和化学工程等领域进行进一步应用拓展研究。