特殊浸润性表面对液滴定向输运的影响

发布时间：2020-05-18 11:15

【摘要】：液滴的定向输运是固体表面特殊浸润性的重要应用之一。实现液滴快速、可逆、可重复的定向输运在局部化学反应、生物化学分离、临床诊断、喷墨打印等领域具有很大的应用前景。然而,现有主流的输运手段存在输运效率低,设备复杂,不可逆以及容易造成液滴损失等缺点,并不能满足实际应用的需求。基于以上问题,本课题首先通过仿真和实验探究固体表面形貌对液滴浸润性的影响。分别建立具有柱状微结构、片状微结构以及“树状”微纳结构的表面仿真模型,并在实验中采用不同的方法在不同的铝合金基底上分别制备了类似的表面结构。发现液滴在三相接触线越不连续的表面上铺展程度越低,即表面的疏水性越好。且“树状”微纳结构的表面易在微槽内留存空气,对液滴的粘附力降低。通过对比接触角,滚动角,表面的平整度以及制备的难易程度,最终选择在铝合金基底上制备“树状”微纳结构作为本课题制备超疏水表面的主要方法。本课题还通过仿真对超疏水轨道与超亲水轨道避免液滴偏离轨道的机理进行了研究。超疏水轨道依靠垂直壁为液滴提供重力势垒来避免液滴偏离轨道。在超疏水轨道的宽度大小合适的情况下,轨道越深,液滴越难偏离轨道。而超亲水轨道避免液滴偏离的机理有所不同。超亲水表面首先要在液滴接触轨道时吸附少量的液体,通过液体与液滴之间的范德华力的作用避免液滴偏离轨道。范德华力的大小与超亲水轨道的横截面积有关,随着超亲水轨道的横截面积增大,液滴所受到范德华力增大,液滴越不容易偏离轨道。但是如果轨道横截面积过大,液滴将完全浸入轨道,无法进行输运。
【图文】：

微纳米,荷叶,疏水,现象

第 1 章绪论.1 课题背景本课题是哈尔滨工业大学 MEMS 中心的研究项目。该项目是国家自然科基金资助的研究项目，旨在对微纳米尺度的特殊浸润性表面进行研究。随着微电子工业的发展，微机电加工(MEMS:Micro-Electro-Mechanicaystems)技术逐渐走进人们的日常生活。近年来，设备的日益微型化、微芯片高度集成化对微操作技术提出了更高的要求[1]。微液滴转移通常是指对微液的拾取、移动和释放，属于典型的微操作过程。研究发现，，特殊浸润性表面液滴的定向输运方面具有广泛的应用价值，而超疏水表面[2]与超亲水表面以具有独特的表面浸润性而受到世人关注。尤其是超疏水表面以及其高接触角相关现象的研究可以追溯很长一段时间[3]，自从发现“荷叶效应”[4,5]以来，续有很多研究者都成功制备出了具有高接触角的超疏水表面[6-9]。与此同时多关于特殊浸润性表面的新功能和新应用都被揭示出来[10,11]。

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图 1-2 超疏水表面的自清洁特性[3]现如今，具有高粘附力的超疏水表面常被用于实现液滴的定向输运。然用高粘附力超疏水表面输运液滴的方法由于表面本身粘附力的限制导致运液滴的体积可调范围较窄，且只能将液滴从低粘附力表面输运至粘附力的表面，无法实现液滴的多次转移、可逆转移，且转移效率过低。因此，一种可实现液体可逆的、方便快捷的转移方法是十分必要的。由于超疏水能够排斥水，超亲水表面可以吸附水，将这两种特殊浸润性表面配合使用实现对液滴的快速定向输运。这种方法将在局部化学反应、生物化学分离床诊断、喷墨打印等领域具有很大的应用前景。.2 国内外特殊浸润性表面制备工艺介绍随着研究的不断深入，国内外对特殊浸润性表面的制备方法研究已经取重大进展，经过查阅相关资料发现，想要获得理想的超疏水表面，主要由方法来实现：一是可通过用低表面能的物质修饰已有粗糙结构的材料表面是在低表面能的材料上构造粗糙表面[35]。而制备超亲水表面也主要有两
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O647

【参考文献】