液滴流微反應(yīng)器依賴于高頻率可控尺寸的液滴的制備；同時，基于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或者分析的需要，產(chǎn)生的微液滴常常需要進(jìn)行下一步的聚并和分裂等。實現(xiàn)這些微液滴行為控制最簡單的方法就是利用微通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，或者輔以外場（如電場、磁場和微加熱原件等）來調(diào)控微液滴的各種行為。本文主要討論無外場條件下的水力學(xué)結(jié)構(gòu)的作用。

1 微液滴的生成

液滴的生成實際上是一相流體在另一相不互溶或部分互溶流體中的分散過程，一般利用不同的設(shè)備結(jié)構(gòu)來形成不穩(wěn)定表面而產(chǎn)生。液滴的制備方法可以分為自頂向下法和自底向上法兩大類。前者包括傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌法、噴霧法、微孔乳化法以及微孔膜乳化和微通道陣列乳化等微孔介質(zhì)分散法，該類方法主要利用連續(xù)相和分散相之間的剪切力帶來的界面不穩(wěn)定性來制備大量乳液，雖然操作簡單，但存在能耗大、產(chǎn)生液滴尺寸分布寬和過程不易控制等缺點。相比較而言，基于微流體技術(shù)的自底向上法用于制備微液滴更為靈活可控，通過在微通道內(nèi)的液滴分散可以精確地對單個液滴的尺寸、形貌和成分組成進(jìn)行控制，所產(chǎn)生的液滴具有尺寸均一和易于調(diào)控等顯著優(yōu)勢。

微通道分散根據(jù)其液滴生成位置附近的流場信息不同主要分為同軸流場中的斷裂、錯流流場中的斷裂和拉伸流場中的斷裂等不同的方式。相對應(yīng)的通道主要是同軸環(huán)管、T 形錯流微通道、水力學(xué)聚焦微通道等。為了提高液滴的單分散性，避免不必要的聚并過程發(fā)生，往往在連續(xù)相或分散相加入表面活性劑來降低兩相之間的界面張力，使液滴更為穩(wěn)定地存在。對于液滴的分散規(guī)律的研究是最先發(fā)展起來的分支，主要針對液滴的尺寸控制、分散過程中的流型轉(zhuǎn)化、通道結(jié)構(gòu)等基本參數(shù)的影響等，在此不再贅述。

2 微液滴的聚并與分裂

液滴微流控相比連續(xù)流微流控的優(yōu)勢之一在于其高通量和易于放大的特性，便于進(jìn)行平行反應(yīng)。當(dāng)液滴內(nèi)包含有某種反應(yīng)試劑時，不同液滴之間的聚并可以有效地實現(xiàn)反應(yīng)物之間的接觸混合，同時也是控制液滴內(nèi)部組分濃度的有效手段。很多情況下，單個液滴就是一個微型反應(yīng)器，再通過使一個液滴分裂成兩個甚至多個更小的液滴，很容易實現(xiàn)反應(yīng)器數(shù)量的放大和體積的縮小，從而提高混合和反應(yīng)的效率。因此，微液滴的聚并與分裂是使其成為理想微反應(yīng)器的重要保障，如何可控地在微通道中實現(xiàn)液滴的聚并和分裂是一個重要的研究方向。要實現(xiàn)液滴的聚并融合，原則上只需減小液滴之間的距離使其可以相互接觸。

要達(dá)到這一目的，一般可以通過 4 種方式來實現(xiàn)：通道結(jié)構(gòu)變化、利用液體特定的理化性質(zhì)、熱毛細(xì)效應(yīng)以及電場融合。其中，巧妙設(shè)計微通道的結(jié)構(gòu)是最為直接簡單的方式。圖 2 給出了幾種典型的通道結(jié)構(gòu)變化，其基本原理都是突然降低前面一個液滴的流速使后面的液滴可以“追趕”上來與其接觸融合。綜合利用“梳齒”狀通道結(jié)構(gòu)變化和外場實現(xiàn)了液滴的可控聚并。通過在通道腔室內(nèi)設(shè)計多個支柱組來增加流動阻力，使前一個液滴在腔室內(nèi)減速至停止運動，等待和下一個液滴融合直至水力學(xué)壓力超過表面張力，融合的液滴開始繼續(xù)運動。

該結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)支柱組的間距和數(shù)目以及融合液滴的尺寸和運動速度來控制融合過程。該體系中水相液滴的融合可以在40s內(nèi)完成，因此液滴內(nèi)的組分混合可以高效進(jìn)行，兩個液柱的混合周期在7ms左右。進(jìn)一步，它們在融合腔室內(nèi)加入電場，拓展了體系的適用范圍，在表面活性劑存在的體系中也可以實現(xiàn)液滴的可控融合。支柱組的存在使得液滴之間的距離足夠近，電場的存在破壞了液滴間的油膜有效地促進(jìn)了融合過程。融合之后的液滴還可以再被分散成更小的液滴，因此可以通過控制液滴體積和組成來有效調(diào)控滴內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的濃度，實現(xiàn)液滴陣列的高通量生產(chǎn)。

當(dāng)兩相流從主通道流向分支通道，此處的流線被分割成不同的部分。液滴受到流場的影響，當(dāng)黏性剪切力超過表面張力時，就會發(fā)生斷裂。液滴分裂過程的研究主要集中在 T 形通道。液滴到達(dá) T 形分支點之后的行為取決于它的延伸長度 l0和毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)Ca。B和C是發(fā)生斷裂的流型，而A區(qū)域內(nèi)不發(fā)生斷裂，斷裂的情況依賴于液滴是否能夠充滿T形分支點（C）或者和壁面之間產(chǎn)生溝槽（B）。該實驗的結(jié)果與二維的理論分析結(jié)果吻合得非常好，并提出了臨界長度的概念。垂直線代表了斷裂發(fā)生時是否存在空腔區(qū)的臨界長度l0/w，實線是參考文獻(xiàn)[40]中的理論預(yù)測結(jié)果，短劃線是參考文獻(xiàn)中的理論預(yù)測結(jié)果。在對稱的 T 形通道內(nèi)可以得到體積相同的子液滴，而非對稱的通道結(jié)構(gòu)會對液滴的斷裂過程產(chǎn)生很大的影響。

在母液滴的流道中設(shè)置障礙物來使得液滴被動的斷裂，改變障礙物在流道中位置的不對稱性變化可以控制斷裂生成的兩個子液滴的相對尺寸，同時還可以設(shè)置多級障礙物，使得子液滴可以進(jìn)一步地斷裂成更小的液滴。利用 VOF 數(shù)值模擬的方法來計算非對稱T形通道內(nèi)（等長度不等寬度）液滴的斷裂過程，并利用潤滑理論近似的方法進(jìn)行理論分析，驗證了其數(shù)值模擬的結(jié)果。他們研究和討論了該過程中重要的影響因素，比如液滴斷裂時間和壓降隨通道結(jié)構(gòu)的變化等。進(jìn)一步，對于該模型進(jìn)行了實驗驗證，同時還建立了預(yù)測不對稱 T 形通道內(nèi)液滴斷裂流型以及子液滴的體積比例和母液滴斷裂點的理論公式，與其實驗結(jié)果符合良好。