研究背景
1787年，德国物理学家恩斯特·克拉尼使用小提琴弦拉动金属板侧边，金属板上的沙子自动排列成各种复杂的图案，形成著名的“克拉尼图形”。后来，人们发现重沙聚集的地方为金属板振动的波节，形成的图案称为“正克拉尼图形”，轻沙聚集的地方为金属板振动的波腹，形成的图案称为“反克拉尼图形”。
自克拉尼的演示实验起，利用声波操控物体的技术至今已经发展了两百多年，并在近二十年形成了火热的“声镊 (acoustic tweezer)”领域。然而，正反克拉尼图形还未在液体环境中复现，即重颗粒聚集在波节，轻颗粒聚集在波腹。
研究内容
近日，西安交通大学郝南京教授带领研究团队在微流控芯片上研究了悬浮颗粒和下沉颗粒在体声波作用下的声泳行为和其机理，并成功复现液体环境中的正反克拉尼图形，实现了 2 分钟内平均粒径分别为 9.68 微米与 2.72 微米的二氧化硅颗粒的分离。
该工作首先研究了 5 微米和 1 微米的聚苯乙烯球在乙醇环境中的声泳行为。两种尺寸的聚苯乙烯球在乙醇环境中呈长时间（大于 2 小时）的悬浮状态，在声波的驱动下都围绕振动的波腹旋转并聚集。通过对比 1 微米和 5 微米聚苯乙烯球的行为差别，围绕波腹的旋转运动被分析为是由声流 (acoustic streaming) 引起，向波腹的聚集运动被分析为是由颗粒间的次级声辐射力 (secondary acoustic radiation force) 引起。
Figure 1. 悬浮颗粒聚集在振动的波腹位置
该工作进一步研究了 1 微米的铜粉颗粒在乙醇环境中的声泳行为，铜粉颗粒在乙醇环境中呈快速下沉状态，在声波的驱动下聚集在振动的波节位置。该运动被分析为由基底的振动弹起 (bounce) 和初级声辐射力 (primary acoustic radiation force)引发。
Figure 2. 下沉颗粒聚集在振动的波腹位置
Figure 3. 不同粒径的二氧化硅颗粒的分离
该工作首次复现了液体环境中的正反克拉尼图形并将其应用于不同粒径颗粒的分离。该分离方法可通过调整基体液体的密度和粘度，使其适用于不同密度和大小的颗粒以产生悬浮和下沉的差异性，从而实现分离的通用性。
论文信息
Acoustofluidics-based microscopic examination for automated and point-of-care urinalysis
Xiong Zhao and Nanjing Hao*（郝南京，西安交通大学）
Lab Chip, 2024, 24, 3149-3157
https://doi.org/10.1039/D4LC00277F
作者简介
相关期刊
rsc.li/loc
Lab Chip
| 2-年影响因子* | 6.1分 |
| 5-年影响因子* | 6.3分 |
| JCR 分区* | Q1 化学-分析 Q1 化学-跨学科 Q1 仪器仪表 Q1 生物医学研究方法 Q2 纳米科学与技术 |
| CiteScore 分† | 11.1分 |
| 中位一审周期‡ | 39 天 |
Lab on a Chip 报道微米和纳米尺度上的微型化研究，力求发表在物理技术（微米或纳米级的制造、流控、系统集成、分析分离技术等）和应用潜力方面都具有高影响力的原创性工作。该刊最为看重的是论文的创新性，所发表的论文通常要在以下两个方面都有所创新：(i) 微型化器件的物理、工程和材料；(ii) 在生物学、化学、环境科学、食品科学、医学、能源等领域中的应用。
Aaron Wheeler
🇨🇦 多伦多大学
Associate editors
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