研究论文 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

液滴操控在生物化学、细胞培养和能源采集与利用等领域有着广泛的应用。尽管单独或协同作用的磁场、光场、电场或热能量梯度可以实现液滴的操控，然而这些依赖外部能量输入的方法，在液滴运动行为、液滴损耗和操控环境等方面的可控性相对较差，且它们需要高度复杂的驱动技术和装置。基于润湿性差异的图案化表面可实现常温下液滴的弹跳、运输等操控，但在宽泛温度范围内的液滴可控操控仍然是一个巨大的挑战。在宽泛温度范围内的液滴可控蒸发、弹跳及运输在微电子散热、药物筛选及分离、喷墨打印和高温微流控系统等领域具有重要的应用前景。

近期，湖南大学机械运载与工程学院、国家高效磨削工程技术研究中心的舒成松博士（第一作者）、苏其通、李明浩、汪振斌、尹韶辉教授和黄帅副教授（通讯作者）在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《用于宽泛温度范围内液滴操控的极端润湿性表面》的研究文章，报道了一种通过电化学掩模蚀刻和微细铣削复合工艺，在铝表面高效稳定制造极端润湿性表面的方法（图1）。通过实验和模拟研究了不同温度下极端湿润表面的热耦合特性、蒸发机理和液滴运输机制。研究表明，液滴在超疏水和亲水表面呈现不同的蒸发模式，通过控制亲水图案的几何形状可以实现液滴在不同图案上的可控蒸发。控制基底润湿性差异、液滴与亲水表面的接触面积和基底温度可实现液滴的可控弹跳。在Laplace压力差和温度梯度驱动下，可实现液滴的分离、汇合和抗重力运输。

亮点：
● 通过电化学掩模蚀刻和微细铣削复合工艺，在铝基表面上制造出极端润湿性表面。● 揭示了温度和基底润湿性差异对莱顿弗罗斯特效应强化的影响机制。● 实现了较宽温度范围内液滴在极端润湿性表面的可控蒸发、定向运输和可控弹跳。

图1 极端润湿性表面的制备过程。Step I：经掩膜电化学刻蚀和FAS改性后制备的超疏水表面S1和超疏水-亲水的润湿性差异表面S2；Step II:在超疏水铝表面通过定域微铣制备超疏水-亲水润湿性差异图案化表面；Step III:通过二次掩膜电化学刻蚀在超疏水铝表面制备超疏水-超亲水极端润湿性表面。

2. 研究背景

液滴操控在生物化学、微流控系统、细胞培养和能源采集与利用等领域有广泛的应用。依赖于功能表面的表面张力梯度可实现液滴操控，但很难控制液滴的精准弹跳或长距离运输。此外，依靠磁场、光场、电场等外部能量输入来提供驱动力也可实现液滴操控，但它们需要高度复杂的驱动技术和装置，并且有很高的运输损耗。基于润湿性差异的液滴操控是一种高精度的液滴操控方法，具有区域润湿性差异的表面可以降低表面粘性，产生不同的张力梯度从而实现可控的液滴操控。现有的液滴操控主要针对室温下的均匀性润湿表面，在宽泛温度范围内非均匀润湿性表面上的液滴操纵的传热特性、定向弹跳机理及蒸发机制仍需进一步研究。

3. 最新进展

研究最新进展包括极端润湿性表面制备、液滴可控蒸发、定向弹跳和定向运输四方面。首先利用掩模电化学蚀刻和微细铣削复合工艺制备出极端润湿性差异表面和图案（图1）。

滴液可控蒸发

数值模拟表明液滴在超疏水表面上的蒸发过程呈恒接触角（CCA）蒸发模式，主要是因为在液滴蒸发过程中热量从基底底部向上部传输过程中，液滴表面不同位置处存在的温度差异引起表面张力梯度造成的马兰戈尼流动和内部自然对流综合效应导致液滴内部形成两个环流单元。而液滴在亲水表面上呈现出恒接触半径（CCR）接触模式（图2）。

图2 (a)-(b)分别为3s时超疏水铝表面上液滴的温度、流线和速度的耦合场。(c)-(d) 3s时，亲水铝表面的温度、流线和液滴速度的耦合场。(e) 100℃时液滴在超疏水表面呈恒接触角蒸发模式 (f) 100℃时液滴在亲水表面呈恒接触半径蒸发模式。

随着亲水微坑直径的增大，同体积的液滴在微坑上的蒸发时间变短，实现了亲水圆槽图案和亲水微坑点阵图案上液滴的可控蒸发（图3）。

图3 （a）不同直径的亲水微坑的蒸发时间，（b）亲水圆槽图案可控蒸发，（c）亲水微坑点状图案上的液滴控制蒸发。

液滴定向弹跳

常温下通过控制基底润湿性差异程度、液滴与亲水区域的接触面积可实现液滴不同距离的定向弹跳。当液滴接触到超疏水和亲水边界线（红色虚线）后，朝着更加湿润的亲水区域弹跳（图4a）。液滴在超疏水-超亲水的极端润湿性表面上经60ms后完全从超疏水区域弹跳至超亲水区域（图5a），而在具有超疏水-亲水的中度润湿性差异基底上经51ms后液滴完全从超疏水区域弹跳至亲水区域（图5b）。液滴在超疏水-超亲水表面上的定向弹跳距离大于液滴在超疏水-亲水的表面上的定向弹跳距离（图5c）。主要是由于较高的润湿性对比下作用在回弹液滴上的合力越大，导致其着落距离增大。液滴与亲水接触面积比例的增大使液滴粘附力也随之增大，黏性耗散能增加，且亲水区域明显的钉扎效应会耗散液滴的动能，使定向弹跳距离及着陆距离也随之缩短（图6a~6d）。

图4 （a）水滴轻微接触到亲水区域后朝向更润湿表面的方向定向弹跳，（b）撞击液滴在超疏水性和亲水性区域上的接触线轨迹随时间的变化。

图5 （a）液滴在超疏水-超亲水的极端润湿性表面上的定向弹跳过程，（b）液滴在超疏水-亲水基底上的定向弹跳过程，（c）超疏水-超亲水、超疏水-亲水基底上定向弹跳的液滴接触线轨迹随时间变化图。

图6 （a）~(c)分别为50%、22%、12%亲水区域接触面积的液滴定向弹跳情况，（d）亲水区域接触面积比例不同时液滴接触线轨迹随时间变化图。

高温条件下极端润湿性交界处液滴定向弹跳

在加热润湿模式下可以实现液滴的定向弹跳。当温度Ts低于Leidenfrost沸点时，液滴朝向亲水区域弹跳（图7a）。当温度Ts高于Leidenfrost沸点时，由蒸汽层产生的推力使液滴在交界处垂直反弹或向超疏水区域移动（图7b和图7c）。

图7 不同润湿性的表面交界处的液滴的定向弹跳。温度为（a）150℃；（b）200℃和（c）250℃。

液滴在极端润湿性表面的定向运输  在Laplace压力差驱动的润湿性图案化表面，实现了液滴从小圆槽到大圆槽的定向运输（图8a-8c），流速呈先增大后减少的趋势（图8d）。基于这一规律实现了液滴在润湿性图案化微流道表面的汇合和分流运输运用（图8e-8f）。

图8 （a）开放表面微流体系统；（b）去离子水由小圆槽储层到大圆槽储层的运输过程；（c）去离子水由大圆槽储层到小圆槽储层的运输过程；（d）大圆槽储存的液滴体积及液滴流速随时间变化量；（e）图案化微流道中液滴汇合实验；（f）图案化微流道中液滴分流实验。

温度梯度驱动下的液滴定向和抗重力运输

温度梯度促使液滴从高温区迁移到低温区，在5.9℃/mm的温度梯度下实现了去离子水、无水乙醇和和煤油等不同黏度的液体的定向运输（图9b），且运输速率随温度梯度的下降而减小（图9c）。在温度梯度的作用下，液滴在不同温度区域的接触角不同，低温部分的表面张力较大。基于此原理实现了最大传输倾斜度为3°的去离子水、无水乙醇和和煤油从高温侧到冷凝侧的短距离抗重力传输（图9d）。

图9  (a) 由温度梯度驱动的液滴运输实验装置；(b)温度梯度驱动的不同液滴的定向运输；(c)不同液滴的迁移速度随温度梯度的变化；(d)由温度梯度驱动的不同液滴抗重力运输。

4. 未来展望

文章通过控制润湿性差异实现了宽泛温度范围内的极端润湿性表面的液滴可控蒸发、定向弹跳和定向运输。开发新型润湿性差异运输平台，突破运输距离限制，减少与运输平台的接触面积，实现不同液滴多场景下的无需能量输入的低损耗和长距离无泵运输。基于润湿性差异的运输平台将会在生物化学、微流控系统、细胞培养和能源采集与利用等领域开辟更多新的应用。