胶体溶液由介观标准（1纳米-10微米）的粒子悬浮在流体溶剂之中所构成。因为胶体粒子和微流通道在标准上的天然匹配，以及胶体组成与微纳流技能的加快速度进行开展，近年来胶体粒子经常被用来制造微流器材，在微流环境中履行特定使命。胶体微器材不只具有重要的使用价值，并且因为其作业于非平衡且热涨明显的环境中，也为研讨非平衡计算物理供给了抱负的模型体系。
胶体微器材的开发并不仅仅把微观器材缩小到介观标准的技能问题，因为微标准流体环境具有与微观标准彻底不同的物理特征，例如：（1）外表与体积比很大，以至于外表效应十分重要，（2）热涨落明显，（3）雷诺数低。怎么依据微流环境的这些特点来规划新式高性能的胶体微器材是软凝聚态物理研讨范畴的一个热门方向。
中国科学院物理研讨所/北京凝聚态物理国家研讨中心软物质实验室SM08组在使用胶体的各向异性泳效应规划微器材方面做了一系列的探究。泳效应(phoresis)是一类重要的外表物理效应，它指的是外加梯度场导致的胶体粒子在溶液中的定向搬迁运动，例如溶质浓度梯度导致的分散泳、温度梯度导致的热泳。泳驱动力来历于粒子与周围非均匀流体的相互效果。关于一般的球形胶体粒子，泳力的方向平行于梯度场。SM08组的杨明成与合作者初次提出非对称的胶体粒子具有各向异性的泳效应的观念，泳力的巨细及方向依靠于粒子在梯度场中的取向，并经过计算机模仿完成证明。因为这一效应，非对称粒子能够得到笔直于梯度场的泳力重量。由两个非对称粒子组成的手性胶体结构可遭到平行于梯度场的泳力矩，从而单向的自转，构成一个由分散流驱动的微涡轮机。这样的微涡轮可用在外界的热梯度或化学梯度中把分散流中的热能或化学能转化为有用功，这一类能量在大部分的使用中一般都白白丢失掉了。这种分散流驱动的微涡轮与微观流驱动的涡轮机（例如风力发电机）作业原理有实质不同。因为微流环境中温度和化学梯度普遍存在，并且强度比微观环境中要高许多，这种梯度驱动的微涡轮特别适用于微环境之中。
最近，软物质实验室SM08组的研讨生沈明仁（已结业）在杨明成和研讨员陈科的指导下使用各向异性泳效应规划出了笔直轴微涡轮机（图1），并经过计算机模仿验证了它们的可行性。这种分散流驱动的微涡轮的滚动方向笔直于外界梯度场，与之前的微涡轮机相比它作业时无需依据梯度场方向调整转轴指向，因而大大地提高了在大涨落的微环境中使用的灵活性。笔直轴微涡轮机的作业形式相似Darrieus类型的风力发电机，因而这一作业也建立了分散流驱动的微涡轮机与微观流驱动的涡轮机之间的完好对应。在胶体微流泵方面，杨明成与德国于利希研讨院的合作者发现棒状胶体粒子的泳力能够导致周围流体笔直于梯度场活动，因而能够被用来规划梯度场驱动的微流泵（图2）。因为激烈的流阻效应，在微米级的管道里长间隔输运流体一直是微流器材中的难题，而这种胶体微流泵完美地处理了这一问题。该微流泵的重要长处是流体的活动方向与梯度场笔直，原则上可在无限长的微管道内输运流体，因而在微流芯片中具有巨大的使用潜力。
相关成果最近宣布在[Phys. Rev. Applied.12, 034051 (2019);Phys. Rev. Applied.11, 054004 (2019)]上。该项目取得国家自然科学基金(同意号11874397, 11674365, 11474327, 11774393)、科技部“973”项目(2015CB85680)的赞助。
图1：（左图）分散流驱动的微涡轮机示意图。三对哑铃状粒子所构成的手性胶体结构处于梯度场之中，不同的粒子色彩代表不同资料，外加的梯度场能够是热或许化学梯度。该手性结构遭到一个笔直于梯度场的泳力矩。（右图）动力学模仿所得到的涡轮机转角与时刻的联系。在泳力矩的效果下，该胶体结构绕其中心、笔直于梯度场单向地滚动。转速巨细依靠梯度场的起伏，滚动方向仅取决于胶体结构的手性而与梯度方向无关。
图2：（左图）温度梯度驱动的微流泵示意图。棒状胶体粒子固定于充溢液体的微通道内，通道上下鸿沟墙具有不同的温度。胶体粒子遭到一个笔直于温度梯度（即平行于通道）的热泳力。（右图）动力学模仿所得到的流场。固定胶体棒所遭到热泳力的反效果力驱动周围流体的定向活动，黑箭头表明净流场，绿箭头表明蜗旋流场，色彩代表流速。
来历：中国科学院物理研讨所
