非對稱納米結(jié)構(gòu)表面的高溫各向異性浸潤性引發(fā)液滴的定向運(yùn)動(dòng)

2014年09月26日 By ：http://www.materialsviewschina.com/2014/09/fei-dui-cheng-na-mi-jie-gou-biao-mian-di-gao-wen-ge-xiang-yi-xing-jin-run-xing-yin-fa-ye-di-di-ding-xiang-yun-dong/

表面的非對稱的結(jié)構(gòu)引發(fā)浸潤性的各向異性，從而調(diào)控液滴的定向驅(qū)動(dòng)與傳輸，會(huì)在集水，傳熱，微流控等諸多領(lǐng)域均有很重要的應(yīng)用前景。迄今為止，研究者們提出了許多非對稱結(jié)構(gòu)的浸潤性各向異性的理論。然而這些理論僅僅適用于常溫的材料。近年的研究表明，受蒸發(fā)導(dǎo)致的蒸汽氣壓的影響，滴加在高溫對稱結(jié)構(gòu)表面上的液滴會(huì)表現(xiàn)出不同于在常溫表面上的液滴的行為，表面的浸潤性隨著溫度的改變而改變。但滴加在非對稱結(jié)構(gòu)表面上的液滴的行為比較復(fù)雜，傳統(tǒng)適用于常溫情況下的浸潤性各向異性的表面設(shè)計(jì)理論無法解釋那些在高溫環(huán)境中材料的浸潤性情形。據(jù)此，系統(tǒng)的研究高溫情況下非對稱結(jié)構(gòu)表面的特征與表面的浸潤性表現(xiàn)及滴加在表面上液滴的行為的關(guān)系對于設(shè)計(jì)具有在高溫下液滴驅(qū)動(dòng)能力的材料有很重要的意義。北京航空航天大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院鄭詠梅教授，中科院化學(xué)所江雷教授及其研究團(tuán)隊(duì)在研究非對稱結(jié)構(gòu)表面高溫下的浸潤性表現(xiàn)及其液滴驅(qū)動(dòng)能力方面取得了重要進(jìn)展。

研究者們通過制備一系列具有不同傾斜角度，化學(xué)表面能，及粗糙程度的硅納米線陣列表面，研究了高溫下滴加在這些表面上的液滴的動(dòng)態(tài)行為調(diào)控。他們發(fā)現(xiàn)，對于中等長度的斜角硅納米線表面（即適中的粗糙度），常溫下表現(xiàn)超親水性傾斜硅納米線表面會(huì)在高溫下表現(xiàn)出浸潤性的各向異性。借助于這種高溫下的浸潤性各向異性及液滴蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽的推動(dòng)作用，可以實(shí)現(xiàn)滴加在表面上的液滴在非對稱鋪展后沿著硅線傾斜的方向穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，且液滴的運(yùn)動(dòng)速度的快慢與硅納米線的傾斜角度的大小依賴關(guān)系。液滴能夠在表面穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的原因在非對稱鋪展過后，液滴與表面之間會(huì)形成一層氣膜。氣膜的出現(xiàn)標(biāo)志著萊頓弗羅斯特液滴的形成。氣膜降低了表面與液滴之間的傳熱及阻力，從而使液滴能夠在快速的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不會(huì)因?yàn)閯×业恼舭l(fā)而消失。對比研究表明，對于較長硅線（即太過粗糙）的表面，盡管表面表現(xiàn)出浸潤性的各向異性，液滴在表面上能夠形成非對稱鋪展和定向運(yùn)動(dòng)，但因?yàn)橐旱卧谂c表面接觸過程中沒有穩(wěn)定氣膜的形成，液滴會(huì)發(fā)生劇烈沸騰甚至爆炸而不利于實(shí)際應(yīng)用。對于長度較短的硅線表面（即低粗糙度）或者常溫下表現(xiàn)的不夠親水，氣膜在液滴與表面直接接觸時(shí)便已形成，表面在高溫下會(huì)表現(xiàn)出超疏水性，液滴不能夠在這個(gè)表面鋪展，也不會(huì)表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的方向性。該研究成果為設(shè)計(jì)具有在高溫下液滴驅(qū)動(dòng)能力的材料提供了理論與實(shí)際指導(dǎo)