利用单端抬升Hele-Shaw细胞中粘性指进不稳定性制备三维分级结构的创新研究

本研究突破传统抑制粘性指进(VF)的思维定式，通过动态调控Hele-Shaw细胞(HSC)厚度边界条件，实现指状结构尺寸的精准调控（宽度与毛细数Ca的-0.53至-1.22次方成反比），开发出无模具、低成本制备分级分形结构的新方法，其物理不可克隆特性为防伪领域提供新思路。

　　

在流体动力学领域，粘性指进不稳定性(Viscous Fingering, VF)长期以来被视为需要抑制的负面现象——从降低石油开采效率到影响印刷均匀性，其引发的指状分叉结构往往造成工艺失控。然而，香港城市大学的研究团队独辟蹊径，通过巧妙设计单端抬升式Hele-Shaw细胞(HSC)装置，不仅实现了对VF的主动增强调控，更开创性地将其转化为制备复杂分级结构的利器。这项发表于《Journal of Colloid and Interface Science》的研究，颠覆了传统认知，为微纳制造和防伪技术开辟了新路径。

研究团队采用动态HSC系统（玻璃/亚克力基板构建）、高速成像分析、多粘度流体体系（硅油/甘油体系）和毛细数(Ca)定量建模等关键技术。通过精确控制基板抬升速度(0.1-10 mm/s)和初始间隙(h₀
≈10 μm)，系统研究了边界条件变化对指状结构的影响规律。

【Viscous fingering instability in a one-end-lifted Hele-Shaw cell】
当泵驱动上基板以恒定速度抬升时，动态变化的间隙厚度(h)导致毛细数Ca（定义为ηU/γ，η为粘度，U为速度，γ为表面张力）持续演化。与传统固定间隙HSC中λ_c
∝Ca^-1/2
的经典标度律不同，该研究发现指宽与Ca的幂律关系扩展至-0.53至-1.22范围，揭示边界条件动态变化对VF的显著调控作用。

【Conclusions】
通过调控基板倾角α和流体性质，研究实现了指状结构的连续分叉与尺寸梯度减小，成功制备出具有多级分形特征的结构。这些结构因初始条件的敏感性而呈现物理不可克隆特性(PUF)，其自然形成的微观特征差异可达10⁶
种组合，为高安全性防伪标签提供了新思路。

这项研究的突破性在于将流体不稳定性转化为可控制造工具：无需昂贵光刻模具或3D打印设备，仅通过调节流体参数和机械运动即可批量制备微米级分级结构。其揭示的动态标度律修正了Saffman-Taylor理论，为微流控混合器、组织工程血管网络仿生等领域提供了新方法论。专利中的防伪应用方案更展现出从基础发现到产业转化的完整创新链。