液滴的動態(tài)行為控制

劉鳴華

中國科學院化學研究所，北京 100190

液滴的動態(tài)行為控制。

液滴動態(tài)行為控制在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中具有重要應用。從噴淋降溫、防結(jié)冰到微流控和噴墨打印，都需要控制液滴的動態(tài)行為1,2。例如，噴淋降溫過程需要延長液滴撞擊到熱表面后的接觸時間，從而提高基底的散熱量3。在干旱地區(qū)對冷凝的霧氣進行收集時，需要控制液滴的定向移動4。目前，研究人員發(fā)展出各種各樣的方法來控制液滴的動態(tài)行為。2014年，香港城市大學王鉆開等人提出，合理設計基底的微結(jié)構可將液滴在超疏水表面的接觸時間縮短至原來的四分之一5。2016年，北京航空航天大學陳華偉、張德遠和中國科學院理化技術研究所江雷等人發(fā)現(xiàn)，豬籠草口緣區(qū)的微結(jié)構具有控制液體快速單向移動的能力6。

然而，對液滴動態(tài)行為的簡單控制已難以滿足實際應用中的復雜需求。微流控技術中，僅依靠液滴的移動行為，難以從液滴中取出試劑進行反應。對下落液滴碰撞行為的精確控制，在高精度打印、液滴定向輸運以及新型能量收集與利用等方面具有廣泛的潛在應用。因此，拓寬液滴動態(tài)行為的控制方式，提高液滴動態(tài)行為的控制精度，成為亟待解決的關鍵問題。

中國科學院化學研究所宋延林研究員研究組與清華大學馮西橋教授研究組合作，首次實現(xiàn)了液滴撞擊后的旋轉(zhuǎn)行為7。通過對固體表面的粘附力圖案進行設計，當液滴碰撞到基底后鋪展成的液膜在不同區(qū)域受到差異化的粘附力，使液膜產(chǎn)生不對稱的回縮行為。非向心的粘附力對液滴形成力矩，作用效果隨著液膜的回縮逐漸累積，最終在液滴內(nèi)部產(chǎn)生角動量，使液滴在回彈過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。通過圖形優(yōu)化，液滴旋轉(zhuǎn)速度最高可達7300 r?min?1。該過程實現(xiàn)了液滴碰撞前后平動能向轉(zhuǎn)動能的轉(zhuǎn)化，突破了經(jīng)典牛頓碰撞定律的描述范疇，為表面能的利用提供了全新的思路。進一步，他們提出了表面粘附力圖案控制液滴碰撞行為的系統(tǒng)性規(guī)律，實現(xiàn)了對液滴碰撞行為的精確調(diào)控。

通過對基底的粘附力圖案進行設計，宋延林研究員研究組進一步實現(xiàn)了對液滴碰撞后回彈行為的精確控制8。他們發(fā)現(xiàn)，引入不對稱的粘附力圖案，對液滴回彈行為進行誘導，可使液滴產(chǎn)生側(cè)向回彈，且側(cè)向回彈動量與最大鋪展時的特征區(qū)域面積呈正相關。研究表明，該規(guī)律對不同的撞擊速度和粘附力圖案都具有良好的普適性?；谠撛淼囊旱尉珳驶貜棡楣δ懿牧系亩c輸送提供了新思路，也為提高液滴動態(tài)行為的控制精度提供了參考。

除了利用圖案化粘附力表面控制液滴的動態(tài)行為，宋延林研究員研究組還通過磁場調(diào)節(jié)的動態(tài)結(jié)構，首次實現(xiàn)了對液滴切割、移動、釋放和旋轉(zhuǎn)等多種動態(tài)行為的控制9。與簡單的液滴移動行為不同，實現(xiàn)液滴的多種動態(tài)行為需要實時改變液滴所受的驅(qū)動力和阻力。在該研究中，他們使用磁場控制兩個不銹鋼球來操縱液滴。通過調(diào)節(jié)磁場改變兩球的中心距，可以對液滴前后兩端的三相線所受阻力進行重新分配。當中心距較小時，液滴前方阻力較小，后方阻力較大，小球移動時液滴就會被從中間扯斷，實現(xiàn)液滴的切割。當中心距較大時，前方的阻力較大，小球無法拖動液滴，實現(xiàn)液滴的釋放。當中心距合適時，前后方阻力相匹配，液滴就會隨鋼球移動。此外，調(diào)節(jié)磁場還能轉(zhuǎn)動小球，實現(xiàn)液滴旋轉(zhuǎn)，加速液體混合。除了在固體表面操控水滴外，該技術還可拓展到多種流體以及限域空間中的液滴操控。這種液滴復雜行為控制技術可望實現(xiàn)生物化學實驗的自動化操控。而且，該技術在血管清理、膽固醇去除等醫(yī)學領域也具有廣泛的潛在應用。

上述研究工作近期分別在Nature Communications、Advanced Materials Interfaces、Science Advances等期刊上發(fā)表7–9。這些工作發(fā)展了液滴的動態(tài)行為研究，促進了液滴科研領域的發(fā)展，拓寬了液滴研究的應用領域。