液滴的動(dòng)態(tài)行為控制

劉鳴華

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

液滴的動(dòng)態(tài)行為控制。

液滴動(dòng)態(tài)行為控制在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中具有重要應(yīng)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(dòng)態(tài)行為1,2。例如，噴淋降溫過(guò)程需要延長(zhǎng)液滴撞擊到熱表面后的接觸時(shí)間，從而提高基底的散熱量3。在干旱地區(qū)對(duì)冷凝的霧氣進(jìn)行收集時(shí)，需要控制液滴的定向移動(dòng)4。目前，研究人員發(fā)展出各種各樣的方法來(lái)控制液滴的動(dòng)態(tài)行為。2014年，香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)等人提出，合理設(shè)計(jì)基底的微結(jié)構(gòu)可將液滴在超疏水表面的接觸時(shí)間縮短至原來(lái)的四分之一5。2016年，北京航空航天大學(xué)陳華偉、張德遠(yuǎn)和中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷等人發(fā)現(xiàn)，豬籠草口緣區(qū)的微結(jié)構(gòu)具有控制液體快速單向移動(dòng)的能力6。

然而，對(duì)液滴動(dòng)態(tài)行為的簡(jiǎn)單控制已難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜需求。微流控技術(shù)中，僅依靠液滴的移動(dòng)行為，難以從液滴中取出試劑進(jìn)行反應(yīng)。對(duì)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(yùn)以及新型能量收集與利用等方面具有廣泛的潛在應(yīng)用。因此，拓寬液滴動(dòng)態(tài)行為的控制方式，提高液滴動(dòng)態(tài)行為的控制精度，成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林研究員研究組與清華大學(xué)馮西橋教授研究組合作，首次實(shí)現(xiàn)了液滴撞擊后的旋轉(zhuǎn)行為7。通過(guò)對(duì)固體表面的粘附力圖案進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)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(duì)稱的回縮行為。非向心的粘附力對(duì)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(dòng)量，使液滴在回彈過(guò)程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。通過(guò)圖形優(yōu)化，液滴旋轉(zhuǎn)速度最高可達(dá)7300 r?min?1。該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了液滴碰撞前后平動(dòng)能向轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴碰撞行為的精確調(diào)控。

通過(guò)對(duì)基底的粘附力圖案進(jìn)行設(shè)計(jì)，宋延林研究員研究組進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)稱的粘附力圖案，對(duì)液滴回彈行為進(jìn)行誘導(dǎo)，可使液滴產(chǎn)生側(cè)向回彈，且側(cè)向回彈動(dòng)量與最大鋪展時(shí)的特征區(qū)域面積呈正相關(guān)。研究表明，該規(guī)律對(duì)不同的撞擊速度和粘附力圖案都具有良好的普適性。基于該原理的液滴精準(zhǔn)回彈為功能材料的定點(diǎn)輸送提供了新思路，也為提高液滴動(dòng)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(dòng)態(tài)行為，宋延林研究員研究組還通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴切割、移動(dòng)、釋放和旋轉(zhuǎn)等多種動(dòng)態(tài)行為的控制9。與簡(jiǎn)單的液滴移動(dòng)行為不同，實(shí)現(xiàn)液滴的多種動(dòng)態(tài)行為需要實(shí)時(shí)改變液滴所受的驅(qū)動(dòng)力和阻力。在該研究中，他們使用磁場(chǎng)控制兩個(gè)不銹鋼球來(lái)操縱液滴。通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)改變兩球的中心距，可以對(duì)液滴前后兩端的三相線所受阻力進(jìn)行重新分配。當(dāng)中心距較小時(shí)，液滴前方阻力較小，后方阻力較大，小球移動(dòng)時(shí)液滴就會(huì)被從中間扯斷，實(shí)現(xiàn)液滴的切割。當(dāng)中心距較大時(shí)，前方的阻力較大，小球無(wú)法拖動(dòng)液滴，實(shí)現(xiàn)液滴的釋放。當(dāng)中心距合適時(shí)，前后方阻力相匹配，液滴就會(huì)隨鋼球移動(dòng)。此外，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)還能轉(zhuǎn)動(dòng)小球，實(shí)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(shù)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(fù)雜行為控制技術(shù)可望實(shí)現(xiàn)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化操控。而且，該技術(shù)在血管清理、膽固醇去除等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有廣泛的潛在應(yīng)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(dòng)態(tài)行為研究，促進(jìn)了液滴科研領(lǐng)域的發(fā)展，拓寬了液滴研究的應(yīng)用領(lǐng)域。