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固体表面微液滴动态行为调控

近年来,微米尺度的微小液滴在固体表面的动态行为引起了广泛的关注,表面能-动能转化驱动的微液滴运动在防雾、防结冰/霜、传热、集水、微流体以及喷墨打印等领域具有重要的应用意义。一般认为,材料表面的微纳米结构是实现微液滴聚并-自发运动的关键。然而,并非所有的微纳复合结构表面或纳米表面都能实现微液滴的自运动。究竟什么样的表面结构才能操控液滴行为呢?


在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室宋延林点击查看介绍研究组针对表面微液滴浸润行为进行了系统和深入的研究。他们研究了表面微观特性与浸润性对微液滴的形成、合并的影响(Langmuir, 2012, 28, 10749-10754; Soft Matter, 2012, 8, 8285-8288),设计出超疏微水滴的材料,赋予表面优秀的防结冰性能(Soft Matter, 2012, 8, 6680-6683; Chem. Commun., 2013, 49, 4516-4518),通过调控表面化学组成与微结构,制备了一种具有微纳复合多级结构的多孔表面实现了可控的冷凝与微液滴运动(Adv. Mater., 2013, 25, 2291-2295)。


在这些研究工作基础上,他们进一步研究了微液滴在固体表面上自发的浸润性转变—这是微液滴在表面能-动能转化机制驱动下自发运动的前提,也是设计制备功能表面实现微液滴自发运动的关键。他们以简单的水热反应在金属铝表面构筑了阵列结构,以聚二甲基硅氧烷对表面进行修饰得到两种不同的结构—塔状阵列和锥状阵列。在界面Laplace压力驱动下,微水滴在这两种表面上表现出“向左走和向右走”动态行为:在塔状阵列表面,微水滴一步一步爬上塔顶,处于低粘附态(Cassie态),容易跳离表面;而在锥状阵列表面,微水滴渐渐滑向锥底,处于高粘态(Wenzel态),不能跳离表面。进一步的理论分析表明,塔状结构上微水滴受到的Laplace压是锥状结构上的约30倍。这一结果为设计表面结构实现微水滴的自发浸润性转变与自驱动运动提供了新思路。

宋延林研究员


该研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划、中国科学院先导计划的大力支持。


该论文作者为:Min He, Yue Ding, Jing Chen, Yanlin Song

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b04525

Spontaneous Uphill Movement and Self-Removal of Condensates on Hierarchical Tower-like Arrays

ACS Nano, 2016, 10, 9456-9462, DOI: 10.1021/acsnano.6b04525


导师介绍

宋延林研究员:http://www.x-mol.com/university/faculty/26752


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