顧名思義，毫流控、微流控和納流控分別指通道的特征長度處于1 mm-10 mm、100 nm-1 mm和<100 nm范圍的流體體系，如表1所示。一般情況下，水在毫流控、微流控和納米流控通道中流體本質上均處于層流狀態。在毫流控和微流控中，流體運動主要受到其內部的粘滯力和慣性力，界面上的界面張力和毛細作用力的影響。而在納米通道中，通道尺寸小于100 nm，由于與分子尺寸相當，分子間相互作用力如靜電力、范德華力、水合作用力和空間排斥力等則起到主導作用。了解通道中流體運動和受力情況，對流體的精確控制和流控器件的結構功能設計等具有至關重要的作用。

表1. 毫流控、微流控和納流控流體體系的特征通道尺度、流動特性和主要作用力。

流控器件的制備技術

由于各種新型制備技術的誕生使得微納加工工藝不斷發展，目前流控器件的制備在分辨率、成本和高通量制造等方面得到了很大的提升。根據器件的尺度不同，流控體系的制備技術也不盡相同，如針對毫流控和微流控器件制備方法主要分為增材和非增材制造技術，針對納米流控制備的主要為自上而下和自下而上方法等。表2概述了這些主要制備技術及其精度、適用材料、優點和局限等，其中具有代表性的方法如圖2所示。

表2. 毫流控、微流控和納流控器件的制備技術總結。

當前，用于制造毫流控和微流控器件的技術有許多共同之處，可分為增材制造和非增材制造兩類。增材制造技術主要包括立體光刻(Stereolithography)、選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering)、熔融沉積建模(Fused Deposition Modelling)和水凝膠噴墨打印(Hydrogel Inkjet Printing)等。增材制造中，流控器件可由計算機輔助設計(CAD) 預先數字化建模，然后程序化逐層打印，這為打印各種形貌結構器件賦予了高度的靈活性。同時，由于3D打印可對原材料進行最大程度利用，在工業上展現了巨大潛力。非增材制造技術，如激光直寫(Direct Laser Writing)、軟光刻(Soft Lithography)和玻璃毛細管(Glass Capillary)等，則可進一步提高流控器件的制造精度。對于納流控器件，傳統的微納加工技術利用自上而下的制造策略，可使用電子束光刻(EBL)或聚焦離子束(FIB)對硅基材料進行高精度刻蝕，但制作過程往往復雜且耗時，納米壓印光刻(Nanoimprint Lithography)等為其提供了一種低成本的選擇。此外，基于分子自組裝的自下而上策略也為納流控器件的制備提供了更多的空間。

圖2. 具有代表性的流控器件制備技術。

毫流控、微流控和納流控器件的應用

由于毫流控、微流控和納流控通道中流體特性差異，它們的應用和發展也呈現出不同的趨勢。毫流控器件的毫米級通道對堵塞和污垢的敏感性較低，有助于工業規模化生產。如圖3所示，毫流控在合成效率和產品質量之間提供了良好的平衡，彌補了實驗室合成和工業生產之間的差距。通過連續式反應流或離散式液滴反應器，可實現通道內物質的實時檢測和參數優化，用于納米材料的優質制造和高通量藥物篩選等。當下，毫流控研究主要致力于將多通道投料、實時檢測、自動控制和高通量等生產特征整合，通過精細化通網絡結構設計，搭建多功能自反饋平臺，以滿足實際生產需求，實現產物的優質多樣性制造。

 圖3. 具有代表性的毫米流控器件的應用。

微流控由于其優異的微米級流體操縱能力，已被廣泛應用于材料科學、化學、細胞生物學和醫學等多個學科。隨著技術的不斷發展，微流控器件為基礎科學、創新技術和新應用提供了廣闊的平臺。我們對微流控在流體混合、粒子分選、多級乳液制備、單細胞分析、器官芯片、即時檢測和光流控等應用進行簡要回顧，如圖4所示，以上代表性例子都高度體現了微流控系統對流體精確控制和模塊高度集成化的典型特征。由于層流占主導地位，微通道中兩相流體的混合主要由界面擴散決定，效率遠低于宏觀混沌湍流。目前提高流體混合速率的策略主要分為被動式和主動式。被動式混合是通過設計具有特定幾何形狀的流體通道，觸發局域混沌湍流以加速混合，如之字形、漩渦構型、分支結構和蜿蜒形。主動式混合則是在微流器件中引入外源驅動微混合器，如壓電混合器、電動混合器和磁力驅動混合器等。微流控器件作為“乳液設計器”可將不互溶液體混合，在液滴生成和構建多級乳液方面具有獨特優勢，可制備包括雙乳、三乳和四乳等體積和核液滴數量精準可調的多級乳液結構。另外，微通道每個液滴可作為單個細胞的理想容器，為單細胞分析提供強大平臺。通過引入介質電泳、磁力、光力和聲波等，還可以實現目標粒子或細胞的高效分選。當集成液滴生成、合并、混合、細胞孵育和觀測等多個模塊時，可用于細胞毒性等高通量篩查。通過進一步構建仿生器官微流芯片，還可還原人體內組織或器官的微結構和微環境，成功再現器官水平的代謝和免疫反應，用于臨床精準醫療。在日常生活中，微流控即時檢測(POCTs)裝置憑借其成本低廉、靈敏度高、便攜性強、檢測快速等優勢，廣泛應用于公共健康檢測，如HIV診斷、血液分析和血糖監測等。在當前冠狀病毒病COVID-19大流行的診斷，POCTs同樣發揮著重要的作用。

圖4. 具有代表性的微流控器件的應用。

納流控的快速發展得益于納米制造技術的發展和新型納米材料的發現，如碳納米管、氮化硼、石墨烯、MoS2和MXenes等。納流控處于納米特征尺度上，主要由分子間的作用力主導，這也賦予了它極具價值的應用前景，如海水淡化、能量收集、單分子分析和納米流體二極管和仿生神傳導經系統等，以及新奇豐富的微觀流體現象，如圖5所示。例如當水通過半徑為15 ~ 50 nm的碳納米管時，實測水流速率比連續動力學模型推算的預測值高出4 ~ 5個數量級，一個可能解釋是其無摩擦的通道表面導致了超快水傳輸現象的產生。然而，納米通道中超快水輸運等現象的潛在機制尚無定論，有待實驗和模擬的進一步揭示。

毫流控、微流控和納流控體系的研究跨越了學術研究到工業應用，并隨著時間的持續不斷發展。毫流控、微流控和納流控體系是多學科交叉研究的強大平臺，在未來的發展中將發揮越來越重要的作用。

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