辐射对四元杂化纳米流体中趋旋微生物的影响：增强微流体和生物对流系统中的传质与传热过程

研究人员针对微流体和生物对流系统中传质与传热效率提升的难题，通过研究辐射和Stephan吹扫对含趋旋微生物(gyrotactic microbes)的四元杂化纳米流体(tetra hybrid nanofluid)Marangoni对流的影响，建立了包含Au/Ag/Cu/TiO2纳米颗粒的传热模型。采用bvp4c数值解法发现：Stephan吹扫参数增加会提升速度和温度分布，但降低溶质分布。该研究为微尺度冷却技术（如电子冷却）和靶向给药等生物医学应用提供了优化方案。

　　

在微流体设备和生物医学工程领域，如何高效控制热量和质量传递一直是重大挑战。传统冷却技术面临微尺度环境下传热效率不足的问题，而微生物辅助的纳米流体系统又存在运动调控困难等瓶颈。随着纳米技术的发展，金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)和二氧化钛(TiO₂)等纳米颗粒的复合应用为这一领域带来新机遇，但辐射与表面张力梯度(Marangoni效应)对含微生物纳米流体系统的协同影响机制尚不明确。

这项发表在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》的研究创新性地将四元杂化纳米流体与趋旋微生物系统相结合，通过数值模拟揭示了辐射和Stephan吹扫对热泳沉积过程的影响规律。研究团队采用bvp4c数值解法处理高度非线性常微分方程组，建立了包含Darcy-Forchheimer多孔介质模型的完整理论框架。实验设计上，选择水基四元杂化纳米流体作为研究对象，重点分析微生物运动与纳米颗粒热泳效应的耦合机制。

在研究方法上，研究通过建立旋转盘上的边界层流动模型，采用Von-Karman变换将偏微分方程转化为常微分方程组。关键技术包括：1）构建含四种纳米颗粒(Au/Ag/Cu/TiO₂)的密度和热导率计算模型；2）引入辐射传热项和Stephan吹扫边界条件；3）使用MATLAB的bvp4c求解器处理非线性系统；4）通过无量纲分析确定Marangoni数(Ma)、Peclet数(Pe)等关键参数的影响。

【2. Mathematical formulation】部分建立了完整的数学模型。通过质量、动量和能量守恒方程，推导出包含热辐射、多孔介质阻力和微生物对流项的耦合方程组。特别值得注意的是，表面张力梯度驱动的Marangoni对流与温度、浓度梯度形成复杂相互作用，方程组中通过S₁-S₅等参数表征不同纳米组分的物性差异。

【3. Solution methodology】详细介绍了数值求解策略。将高阶微分方程转化为一阶系统，设置适当的边界条件处理旋转盘表面的Stephan吹扫效应。通过参数敏感性分析发现，当Marangoni数从0.5增至1.5时，表面速度梯度显著提高，这为微流体泵送设计提供了量化依据。

【4. Physical description】展示了关键参数的物理影响。研究发现：Forchheimer参数(Fr)增大会抑制流体径向速度，这与多孔介质中惯性效应的理论预期一致；而纳米颗粒体积分数(Φ)从1%增加到4%时，热边界层厚度增加15%，证实了四元杂化纳米颗粒的协同强化传热效果。特别具有应用价值的是，当Stefan吹扫参数(Sb)从0.2提高到0.8时，微生物浓度分布下降40%，这为生物反应器中微生物分布控制提供了新思路。

在讨论部分，作者强调了该模型在靶向给药系统的潜在应用。通过调节热泳参数(τ)和Peclet数(Pe)，可以精确控制药物载体在特定区域的沉积。研究还发现，辐射参数(Rd)增大能显著提升纳米流体的努塞尔数(Nu)，这对设计新一代微电子冷却装置具有指导意义。

这项研究的创新价值体现在三个方面：首先，首次系统研究了四元杂化纳米流体中微生物运动与热辐射的耦合机制；其次，建立的数值模型能准确预测复杂边界条件下的热质传递行为；最后，提出的优化方案可直接应用于生物医学工程和微流体器件设计。未来研究可进一步探索相变材料与微生物的协同效应，以及在零重力环境下的特殊流动特性。