375 / 2020-11-04 18:10:40

基于表面电荷辅助的超疏水表面微尺度液滴的产生及操控

超疏水表面；表面电荷；表面黏附，微液滴产生及操控

微尺度液滴作为一种优良的微型载体，在喷墨打印、生物检测、和微反应器等纳米技术和生物技术领域的应用引起了人们的广泛关注。然而，尽管微尺度液滴在科学和工业应用方面潜力巨大，它的产生和操控仍然是一个挑战。到目前为止，用于产生微小液滴的微流控技术往往通过缩小喷嘴的尺寸或使用额外的驱动体系的方法，包括电驱动，声波驱动，以及激光辅助。而额外机制的增加一方面会增加设备成本且操作复杂，另一方面对于黏性或包含有颗粒等的悬浮液体系还会造成喷嘴的堵塞。因此，以一种简便可行的方法产生微液滴并进行操控仍是一项具有挑战性的任务。

近年来，超疏水表面作为一种具有极低固液接触面积的基底材料得到了广泛的研究。这种优异的疏水性能使得在其表面操控液滴时很好地避免了质量损失和污染。如果液滴能进一步收缩成微小液滴，超疏水表面为微液滴的生成和操纵提供了一种理想的替代方法。前人研究表明，水滴以相对较快的速度撞击疏水/超疏水表面，在润湿压力大于毛细力引起的抗润湿压力的情况下，将会在表面残留微小的液滴。这种液滴冲击现象称为部分反弹，是由Cassie 到 Wenzel态润湿过渡时产生的附着力增加引起的。然而，该情况下，由于微滴会渗透到表面的微观结构中，这样的表面产生的微滴是无法移动或操纵的。为了使微滴保持在结构顶部而不渗透，则需要在超疏水表面顶部进行自适应润湿。最近，我们发现液滴撞击二氧化硅超疏水表面可以使表面带电，从而实现对液滴的按需操纵。这种表面电荷将保持在微观结构的顶部，并且与冲击参数相关。电荷引起的电场必然会增加固液界面的表面粘附，从而实现对表面润湿性的有效控制。结合液滴撞击现象和表面电荷的作用，将为超疏水表面微、纳米级微液滴产生和操纵的提供一种有效的途径。

本文中，我们利用表面电荷效应的概念来增加表面附着力，证明了在缩回阶段，水滴冲击超疏水表面可以产生可控的微液滴。表面电荷的大小取决于液滴冲击能量。表面电荷所产生的电场力、液体表面张力和瑞利不稳定性的将共同决定微滴最终在超疏水表面的产生和大小。该方法的优点在于巧妙地利用了该超疏水表面低黏附和冲击带电的特性，不需要额外的精密设备或缩小喷嘴尺寸就可以获得几十微米的微滴。此外，由于表面电荷产生的可控表面粘附，该方法还可对产生的微液滴进行操控。