微納尺度顆粒（包括細(xì)胞、細(xì)菌、人工合成微納顆粒、生物大分子等）的分離與富集在生物、醫(yī)學(xué)、材料和環(huán)境等領(lǐng)域有著至關(guān)重要的應(yīng)用。慣性微流控是近幾年能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒高通量精確操控的一種新穎微流控方法，現(xiàn)有相關(guān)研究主要針對球形顆粒，而實(shí)際生物工程應(yīng)用中所需要處理的顆粒普遍是非球形的，包括盤狀紅細(xì)胞、柱狀大腸桿菌、橢球狀眼蟲藻等。當(dāng)前，非球形顆粒的相關(guān)研究較為缺乏，研究者們一般通過選取等效直徑以便將非球形顆粒問題簡化為球形顆粒問題。

近期，中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡國慶團(tuán)隊(duì)在非球形顆粒的慣性遷移研究方面取得進(jìn)展。研究人員通過三維直接數(shù)值模擬，研究了柱狀顆粒和盤狀顆粒在矩形微通道內(nèi)的慣性遷移特性，探討了柱狀顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)行為及受力變化，系統(tǒng)地考察了通道雷諾數(shù)、通道寬高比、顆粒阻塞比、顆粒長細(xì)比等參數(shù)對柱狀顆粒平衡位置的影響，并與球形顆粒進(jìn)行了對比。通過研究柱狀顆粒表面應(yīng)力隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，發(fā)現(xiàn)顆粒近壁端所受應(yīng)力主導(dǎo)其轉(zhuǎn)動(dòng)行為；通過分析不同通道雷諾數(shù)下柱狀顆粒在兩種通道內(nèi)所受慣性升力分布，發(fā)現(xiàn)在方通道內(nèi)始終存在四個(gè)穩(wěn)定平衡位置，而在矩形通道內(nèi)穩(wěn)定平衡位置則隨雷諾數(shù)增大逐漸由兩個(gè)變?yōu)樗膫€(gè)；通過對比不同情況下柱狀顆粒與球形顆粒的平衡位置，發(fā)現(xiàn)柱狀顆粒等效直徑隨雷諾數(shù)增大而增大。

研究將加深對柱狀顆粒微尺度慣性遷移機(jī)制的理解，為非球形顆粒的高通量精確操控提供理論指導(dǎo)。上述研究成果發(fā)表在Physics of Fluids上（J. Su, X. Chen, and G. Hu, 2018, 30, 032007），并獲得編輯精選(Editor's picks)在首頁進(jìn)行展示，相關(guān)工作獲得了國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目和中科院B類先導(dǎo)項(xiàng)目的支持。

顆粒表面應(yīng)力分布隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化規(guī)律 

不同雷諾數(shù)下顆粒在通道截面內(nèi)的慣性升力分布：Re=50 (a, d)；Re=100 (b, e)； Re=200 (c, f)。

來源：中國科學(xué)院力學(xué)研究所