《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetic field distribution in non-parallel quadrupole configurations under vacuum conditions: A foundational study for wall-less microfluidics with magnetorheological fluids
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程晓敏|孙洪义|徐星星|万安平|Khalil AL-Bukhaiti|姜俊杰|季晓生中国杭州市城市大学航空航天金属材料浙江省重点实验室，310015摘要本研究在真空条件下探讨了非平行四极配置中的磁场分布，为使用磁流变（MR）流体实现无壁微流控通道提供了基础。基于Biot-Sava
程晓敏|孙洪义|徐星星|万安平|Khalil AL-Bukhaiti|姜俊杰|季晓生
中国杭州市城市大学航空航天金属材料浙江省重点实验室，310015
摘要
本研究在真空条件下探讨了非平行四极配置中的磁场分布，为使用磁流变（MR）流体实现无壁微流控通道提供了基础。基于Biot-Savart定律的理论模型、有限元模拟和霍尔探针实验表明，几何对称性（相同且相反的极旋转）对于维持连续的中心零场线至关重要。在极旋转角度不超过20°的对称配置中，低磁场区域在横截面上扩展成可预测的扇形区域，其角度宽度与旋转角度紧密匹配。增加激励电流可以成比例地增强约束强度，而不会改变低场区域的几何形状。非对称排列会破坏矢量抵消，导致零场线不连续，仅产生小的、不连续的纺锤形低磁场区域，不适合稳定的MR流体通道。根据LORD MRF-132DG流体的特性，确定了3.45%的最大磁通密度的实际低场阈值。这些结果为设计可调的四极磁源以适应复杂的、弯曲的或分支的无壁微流控系统提供了基础。
引言
微流控系统通过精确控制微观尺度上的流动，实现了液滴和多相流体的快速高效操控、分离和分析。这些系统结合了微机械、流体动力学和智能材料的原理，具有体积小、试剂消耗低和流量控制精度高等优点。因此，它们在芯片实验室技术[1]、[2]、生化分析和检测[3]、[4]、电子冷却系统[5]、[6]、药物输送平台[7]以及许多其他领域[9]中得到了广泛应用。作为微流控系统的核心组成部分，微流控通道促进了包括混合、分离、冷却和检测多相介质在内的基本功能。这些通道的设计和性能直接影响流体传输、混合效率和反应过程[10]、[11]。然而，随着流体电路的微型化，传统通道的固体壁成为了一个关键的限制因素[12]，因为它们在给定压降下限制了可实现的流速[13]、[14]。传统的微流控通道依赖固体壁来约束流体流动，这导致了一些缺点，如表面污染、细胞或蛋白质的吸附、压力要求升高以及易受污染[15]。为了克服这些限制，提出了各种策略来减少固体壁的相互作用，例如疏水涂层[16]、液体注入的多孔表面[17]、纳米粒子表面活性剂堵塞[18]、表面电子结构的修改[19]、电润湿[20]、表面张力固定[21]和原子级平坦通道[22]。一种更激进的方法是完全消除固体壁。像液滴微流控[23]、[24]、[25]和鞘流这样的技术实现了无壁约束，但需要持续供应中心和周围的流体[25]。磁流变（MR）流体由于其优异的场响应流变特性，为完全无壁通道提供了有希望的途径。在施加磁场的情况下，MR流体迅速从液态转变为半固态，从而动态形成“液体管壁”。Dunne等人的开创性工作[26]展示了由四极磁源约束的基于MR流体的管壁，为实现真正无壁微通道提供了创新概念。然而，对于非平行四极配置中的磁场分布的研究仍然很少。在实际的微流控应用中，芯片经常包含复杂的几何形状，如Y形或T形接头和蛇形路径，以实现高级功能。例如，Liu等人[27]研究了分支T形接头微通道中的液-液两相流动分布。Karmakar等人[28]开发了一个蛇形通道的缩放模型，发现当颗粒与液压直径比超过0.07时，惯性升力主导了颗粒的聚焦和分离，由于弯曲处的离心效应，聚焦长度显著缩短。Ye等人[29]用乙烯-醋酸乙烯共聚物制造了可调节的微柱阵列，通过柱子弯曲来控制方向传输、流速和路径编程。Tang等人[30]回顾了非圆形截面通道中的惯性颗粒操控，强调了物理原理和创新芯片设计的前景。尽管在非标准微通道方面取得了实质性进展，但大多数研究仍集中在有壁结构上。关于在复杂几何形状中基于MR流体的液体壁形成以及控制不同参数下液-液两相流动的磁场分布规律的研究明显不足。这些应用需要具有可调极角的磁源来适应非直线通道。此外，供给电磁铁的电流大小极大地影响了磁场强度和中心零场线的稳定性。应当注意的是，本研究专注于在真空条件下表征非平行四极配置的固有磁场分布，不涉及MR流体的存在。这种简化有助于清晰理解由磁源几何形状和电流参数产生的基本场拓扑。实际上，充满MR流体的通道中的磁场分布会由于流体的相对磁导率（μ_r > 1）而发生变化；然而，这里建立的真空场基线为后续包含流体-场耦合效应的多物理场分析提供了必要的基础。为了弥合这一差距，本研究通过改变非平行配置中的极间角度和电磁铁电流来研究磁场分布的优化。通过理论建模、数值模拟和实验验证，我们阐明了角度排列下磁通密度变化的模式。本研究旨在通过控制外部磁场来实现零场通道形状和直径的非接触调节。建立了一个磁场调节模型来进行模拟，揭示了外部磁场变化对零场通道形态的影响。通过主动调整磁场参数，实现了对通道几何形状的灵活控制，从而为未来开发动态可编程的无壁微流控设备奠定了理论和技术基础。这些发现 在生物芯片、精密操控和智能微流控系统等领域具有重要的应用潜力。
章节摘录
理论模型
四极磁源涉及在设计的中心零场线两侧对称地排列四个电磁铁。[31] 上两个电磁铁中的电流方向相同；根据右手定则，通电后它们产生的磁场指向左侧。下两个电磁铁中的电流方向与上两个相反；根据右手定则，通电后它们产生的磁场指向右侧
结果与讨论
从图2的实验结果来看，当四极磁源以一定角度对称排列时，中心零场线仍然存在。为了进一步了解非平行四极磁源在角度对称结构下的内部磁场分布，对非平行四极磁源配置进行了模拟实验，并研究了不同角度对内部磁场分布的影响
磁场参数的定量评估
为了对对称配置的模拟结果进行定量评估，分析了表3中提取的数值数据，以确定激励电流、极旋转角度和磁场特性之间的关系。图12展示了激励电流与四个研究的极旋转角度（0°、10°、15°和20°）的最大磁通密度（B_max）之间的关系。数据显示出严格的线性关系
结论
本研究系统地研究了非平行四极磁源配置中的磁场分布，目的是为了控制基于磁流变（MR）流体的无壁微流控通道。通过基于Biot-Savart定律的理论建模、有限元模拟和实验验证，阐明了控制中心低磁场区域形成和特性的关键因素。
CRediT作者贡献声明
程晓敏：撰写——原始草稿、研究、数据管理、概念化。孙洪义：撰写——原始草稿、项目管理、方法论、数据管理。徐星星：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、概念化。万安平：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。Khalil AL-Bukhaiti：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、研究。姜俊杰：撰写——审阅与编辑
资助
本研究部分得到了浙江省重点研究项目（2024C01039）、宁波市重大专项（2023Z032、2022Z071）和宁波市KeChuang Yongjiang 2035关键技术突破计划（2024Z177）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
