利用选择性色彩成像法测量流体混合现象的新技术

凝聚前后液滴中混合过程、颗粒数量分数和流场的可视化。资料来源：《科学报告》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41598-023-46008-z

我们开发了一种新颖的测量技术，利用荧光发光粒子对空间悬浮和凝聚的两个液滴内部的流体流动和分布进行可视化测量。这种技术能够估算每个液滴内部的流体运动，从而揭示液滴合并促进流体混合时表面振动引起的内部流动。详细信息已发表在《科学报告》上。

一般来说，处理液体需要容器。然而，超声波技术可以创建一个 "滴上实验室"，即一个超小型测试环境，在这个环境中，直径为几毫米的多个液滴可以在空间漂浮和混合，而不受容器的影响。

筑波大学的研究人员开发出了一种合并两个液滴的技术，在这种 "滴上实验室 "装置中，由于液滴体积小，混合难度很大，他们还开发出了一种使用选择性彩色成像法测量液滴混合情况的方法。

这种混合技术使用了超声相控阵，通过一个 7×7 网格的超声波换能器照射超声波并进行相位变换，从而产生一个液滴可以随机漂浮的焦点。这项技术成功地同时悬浮了两个完全相同的液滴，导致它们碰撞和融合。

要测量混合程度，就必须确定每个液滴内液体的流动情况。在这里，研究人员利用了红色和绿色荧光发射颗粒；一个液滴中的颗粒在紫外线照射下会发出红色荧光，而另一个液滴中的颗粒则会发出绿色荧光。

在液滴凝聚的过程中，使用高速照相机对每个荧光颗粒的运动进行了详细拍摄，从而捕捉到了它们的混合状态。

根据混合所需的时间尺度，对比分析了凝聚过程中界面振动引起的流体混合与分子扩散引起的流体混合之间的差异，发现界面振动引起的混合占主导地位。因此，这项研究的结果有望促进滴上实验室设备的应用和进一步发展。

参考资料

Kota Honda et al, Coalescence and mixing dynamics of droplets in acoustic levitation by selective colour imaging and measurement, Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-46008-z​​

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