液滴操控在生物化學(xué)、細(xì)胞培養(yǎng)和能源采集與利用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。盡管單獨(dú)或協(xié)同作用的磁場、光場、電場或熱能量梯度可以實(shí)現(xiàn)液滴的操控,然而這些依賴外部能量輸入的方法,在液滴運(yùn)動行為、液滴損耗和操控環(huán)境等方面的可控性相對較差,且它們需要高度復(fù)雜的驅(qū)動技術(shù)和裝置?;跐櫇裥圆町惖膱D案化表面可實(shí)現(xiàn)常溫下液滴的彈跳、運(yùn)輸?shù)炔倏?,但在寬泛溫度范圍?nèi)的液滴可控操控仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在寬泛溫度范圍內(nèi)的液滴可控蒸發(fā)、彈跳及運(yùn)輸在微電子散熱、藥物篩選及分離、噴墨打印和高溫微流控系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
近期,湖南大學(xué)機(jī)械運(yùn)載與工程學(xué)院、國家高效磨削工程技術(shù)研究中心的舒成松博士(第一作者)、蘇其通、李明浩、汪振斌、尹韶輝教授和黃帥副教授(通訊作者)在SCI期刊《極端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing,IJEM)上共同發(fā)表題為《用于寬泛溫度范圍內(nèi)液滴操控的極端潤濕性表面》(Fabrication of extreme wettability surface for controllable droplet manipulation over a wide temperature range)的研究文章,報(bào)道了一種通過電化學(xué)掩模蝕刻和微細(xì)銑削復(fù)合工藝,在鋁表面高效穩(wěn)定制造極端潤濕性表面的方法(圖1)。通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究了不同溫度下極端濕潤表面的熱耦合特性、蒸發(fā)機(jī)理和液滴運(yùn)輸機(jī)制。研究表明,液滴在超疏水和親水表面呈現(xiàn)不同的蒸發(fā)模式,通過控制親水圖案的幾何形狀可以實(shí)現(xiàn)液滴在不同圖案上的可控蒸發(fā)??刂苹诐櫇裥圆町?、液滴與親水表面的接觸面積和基底溫度可實(shí)現(xiàn)液滴的可控彈跳。在Laplace壓力差和溫度梯度驅(qū)動下,可實(shí)現(xiàn)液滴的分離、匯合和抗重力運(yùn)輸。
圖1 極端潤濕性表面的制備過程。Step I:經(jīng)掩膜電化學(xué)刻蝕和FAS改性后制備的超疏水表面S1和超疏水-親水的潤濕性差異表面S2;Step II:在超疏水鋁表面通過定域微銑制備超疏水-親水潤濕性差異圖案化表面;Step III:通過二次掩膜電化學(xué)刻蝕在超疏水鋁表面制備超疏水-超親水極端潤濕性表面。
液滴可控蒸發(fā)
數(shù)值模擬表明液滴在超疏水表面上的蒸發(fā)過程呈恒接觸角(CCA)蒸發(fā)模式,主要是因?yàn)橐旱握舭l(fā)時(shí),在熱量從基底底部向上部傳輸?shù)倪^程中,液滴表面不同位置存在的溫度差異引起表面張力梯度,造成的馬蘭戈尼流動和內(nèi)部自然對流綜合效應(yīng)導(dǎo)致液滴內(nèi)部形成兩個(gè)環(huán)流單元。而液滴在親水表面上呈現(xiàn)出恒接觸半徑(CCR)接觸模式(圖2)。
圖2 (a-b)分別為3s時(shí)超疏水鋁表面上液滴的溫度、流線和速度的耦合場;(c-d)3s時(shí),親水鋁表面的溫度、流線和液滴速度的耦合場;(e)100℃時(shí)液滴在超疏水表面呈恒接觸角蒸發(fā)模式;(f)100℃時(shí)液滴在親水表面呈恒接觸半徑蒸發(fā)模式。
隨著親水微坑直徑的增大,同體積的液滴在微坑上的蒸發(fā)時(shí)間變短,實(shí)現(xiàn)了親水圓槽圖案和親水微坑點(diǎn)陣圖案上液滴的可控蒸發(fā)(圖3)。
圖3 (a)不同直徑的親水微坑的蒸發(fā)時(shí)間;(b)親水圓槽圖案可控蒸發(fā);(c)親水微坑點(diǎn)狀圖案上的液滴控制蒸發(fā)。
液滴定向彈跳
常溫下通過控制基底潤濕性差異程度以及液滴與親水區(qū)域的接觸面積可實(shí)現(xiàn)液滴不同距離的定向彈跳。當(dāng)液滴接觸到超疏水和親水邊界線(紅色虛線)后,朝著更加濕潤的親水區(qū)域彈跳(圖4a)。液滴在超疏水-超親水的極端潤濕性表面上經(jīng)60ms后完全從超疏水區(qū)域彈跳至超親水區(qū)域(圖5a),而在具有超疏水-親水的中度潤濕性差異基底上經(jīng)51ms后液滴完全從超疏水區(qū)域彈跳至親水區(qū)域(圖5b)。液滴在超疏水-超親水表面上的定向彈跳距離大于液滴在超疏水-親水的表面上的定向彈跳距離(圖5c)。主要是由于較高的潤濕性對比下作用在回彈液滴上的合力越大,導(dǎo)致其著落距離增大。液滴與親水接觸面積比例的增大使液滴粘附力也隨之增大,黏性耗散能增加,且親水區(qū)域明顯的釘扎效應(yīng)會耗散液滴的動能,使定向彈跳距離及著陸距離也隨之縮短(圖6a-6d)。
圖4 (a)水滴輕微接觸到親水區(qū)域后朝向更潤濕表面的方向定向彈跳;(b)撞擊液滴在超疏水性和親水性區(qū)域上的接觸線軌跡隨時(shí)間的變化。
圖5 (a)液滴在超疏水-超親水的極端潤濕性表面上的定向彈跳過程;(b)液滴在超疏水-親水基底上的定向彈跳過程;(c)超疏水-超親水、超疏水-親水基底上定向彈跳的液滴接觸線軌跡隨時(shí)間變化圖。
圖6 (a-c)分別為50%、22%、12%親水區(qū)域接觸面積的液滴定向彈跳情況;(d)親水區(qū)域接觸面積比例不同時(shí)液滴接觸線軌跡隨時(shí)間變化圖。
高溫條件下極端潤濕性交界處液滴定向彈跳
在加熱潤濕模式下可以實(shí)現(xiàn)液滴的定向彈跳。當(dāng)溫度Ts低于Leidenfrost沸點(diǎn)時(shí),液滴朝向親水區(qū)域彈跳(圖7a)。當(dāng)溫度Ts高于Leidenfrost沸點(diǎn)時(shí),由蒸汽層產(chǎn)生的推力使液滴在交界處垂直反彈或向超疏水區(qū)域移動(圖7b-7c)。
圖7 溫度為(a)150℃;(b)200℃和(c)250℃時(shí)不同潤濕性的表面交界處的液滴的定向彈跳。
液滴在極端潤濕性表面的定向運(yùn)輸
在Laplace壓力差驅(qū)動的潤濕性圖案化表面,實(shí)現(xiàn)了液滴從小圓槽到大圓槽的定向運(yùn)輸(圖8a-8c),流速呈先增大后減少的趨勢(圖8d)?;谶@一規(guī)律實(shí)現(xiàn)了液滴在潤濕性圖案化微流道表面的匯合和分流運(yùn)輸運(yùn)用(圖8e-8f)。
圖8 (a)開放表面微流體系統(tǒng);(b)去離子水由小圓槽儲層到大圓槽儲層的運(yùn)輸過程;(c)去離子水由大圓槽儲層到小圓槽儲層的運(yùn)輸過程;(d)大圓槽儲存的液滴體積及液滴流速隨時(shí)間變化量;(e)圖案化微流道中液滴匯合實(shí)驗(yàn);(f)圖案化微流道中液滴分流實(shí)驗(yàn)。
溫度梯度驅(qū)動下的液滴定向和抗重力運(yùn)輸
溫度梯度促使液滴從高溫區(qū)遷移到低溫區(qū),在5.9℃/mm的溫度梯度下實(shí)現(xiàn)了去離子水、無水乙醇和和煤油等不同黏度的液體的定向運(yùn)輸(圖9b),且運(yùn)輸速率隨溫度梯度的下降而減小(圖9c)。在溫度梯度的作用下,液滴在不同溫度區(qū)域的接觸角不同,低溫部分的表面張力較大?;诖嗽韺?shí)現(xiàn)了最大傳輸傾斜度為3°的去離子水、無水乙醇和和煤油從高溫側(cè)到冷凝側(cè)的短距離抗重力傳輸(圖9d)。
圖9 (a) 由溫度梯度驅(qū)動的液滴運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)裝置;(b)溫度梯度驅(qū)動的不同液滴的定向運(yùn)輸;(c)不同液滴的遷移速度隨溫度梯度的變化;(d)由溫度梯度驅(qū)動的不同液滴抗重力運(yùn)輸。
綜上所述,研究人員通過控制潤濕性差異實(shí)現(xiàn)了寬泛溫度范圍內(nèi)的極端潤濕性表面的液滴可控蒸發(fā)、定向彈跳和定向運(yùn)輸。開發(fā)新型潤濕性差異運(yùn)輸平臺,突破運(yùn)輸距離限制,減少與運(yùn)輸平臺的接觸面積,實(shí)現(xiàn)不同液滴多場景下的無需能量輸入的低損耗和長距離無泵運(yùn)輸?;跐櫇裥圆町惖倪\(yùn)輸平臺將會在生物化學(xué)、微流控系統(tǒng)、細(xì)胞培養(yǎng)和能源采集與利用等領(lǐng)域開辟更多新的應(yīng)用。
論文鏈接: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ac94bb
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:用于寬泛溫度范圍內(nèi)液滴操控的極端潤濕性表面
文章出處:【微信號:Micro-Fluidics,微信公眾號:微流控】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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