液滴操控在生物化學(xué)、細胞培養(yǎng)和能源采集與利用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。盡管單獨或協(xié)同作用的磁場、光場、電場或熱能量梯度可以實現(xiàn)液滴的操控，然而這些依賴外部能量輸入的方法，在液滴運動行為、液滴損耗和操控環(huán)境等方面的可控性相對較差，且它們需要高度復(fù)雜的驅(qū)動技術(shù)和裝置。基于潤濕性差異的圖案化表面可實現(xiàn)常溫下液滴的彈跳、運輸?shù)炔倏兀趯挿簻囟确秶鷥?nèi)的液滴可控操控仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。在寬泛溫度范圍內(nèi)的液滴可控蒸發(fā)、彈跳及運輸在微電子散熱、藥物篩選及分離、噴墨打印和高溫微流控系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

近期，湖南大學(xué)機械運載與工程學(xué)院、國家高效磨削工程技術(shù)研究中心的舒成松博士（第一作者）、蘇其通、李明浩、汪振斌、尹韶輝教授和黃帥副教授（通訊作者）在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上共同發(fā)表題為《用于寬泛溫度范圍內(nèi)液滴操控的極端潤濕性表面》（Fabrication of extreme wettability surface for controllable droplet manipulation over a wide temperature range）的研究文章，報道了一種通過電化學(xué)掩模蝕刻和微細銑削復(fù)合工藝，在鋁表面高效穩(wěn)定制造極端潤濕性表面的方法（圖1）。通過實驗和模擬研究了不同溫度下極端濕潤表面的熱耦合特性、蒸發(fā)機理和液滴運輸機制。研究表明，液滴在超疏水和親水表面呈現(xiàn)不同的蒸發(fā)模式，通過控制親水圖案的幾何形狀可以實現(xiàn)液滴在不同圖案上的可控蒸發(fā)。控制基底潤濕性差異、液滴與親水表面的接觸面積和基底溫度可實現(xiàn)液滴的可控彈跳。在Laplace壓力差和溫度梯度驅(qū)動下，可實現(xiàn)液滴的分離、匯合和抗重力運輸。

圖1 極端潤濕性表面的制備過程。Step I：經(jīng)掩膜電化學(xué)刻蝕和FAS改性后制備的超疏水表面S1和超疏水-親水的潤濕性差異表面S2；Step II：在超疏水鋁表面通過定域微銑制備超疏水-親水潤濕性差異圖案化表面；Step III：通過二次掩膜電化學(xué)刻蝕在超疏水鋁表面制備超疏水-超親水極端潤濕性表面。

液滴可控蒸發(fā)

數(shù)值模擬表明液滴在超疏水表面上的蒸發(fā)過程呈恒接觸角（CCA）蒸發(fā)模式，主要是因為液滴蒸發(fā)時，在熱量從基底底部向上部傳輸?shù)倪^程中，液滴表面不同位置存在的溫度差異引起表面張力梯度，造成的馬蘭戈尼流動和內(nèi)部自然對流綜合效應(yīng)導(dǎo)致液滴內(nèi)部形成兩個環(huán)流單元。而液滴在親水表面上呈現(xiàn)出恒接觸半徑（CCR）接觸模式（圖2）。

圖2 （a-b）分別為3s時超疏水鋁表面上液滴的溫度、流線和速度的耦合場；（c-d）3s時，親水鋁表面的溫度、流線和液滴速度的耦合場；（e）100℃時液滴在超疏水表面呈恒接觸角蒸發(fā)模式；（f）100℃時液滴在親水表面呈恒接觸半徑蒸發(fā)模式。

隨著親水微坑直徑的增大，同體積的液滴在微坑上的蒸發(fā)時間變短，實現(xiàn)了親水圓槽圖案和親水微坑點陣圖案上液滴的可控蒸發(fā)（圖3）。

圖3 （a）不同直徑的親水微坑的蒸發(fā)時間；（b）親水圓槽圖案可控蒸發(fā)；（c）親水微坑點狀圖案上的液滴控制蒸發(fā)。

液滴定向彈跳

常溫下通過控制基底潤濕性差異程度以及液滴與親水區(qū)域的接觸面積可實現(xiàn)液滴不同距離的定向彈跳。當液滴接觸到超疏水和親水邊界線（紅色虛線）后，朝著更加濕潤的親水區(qū)域彈跳（圖4a）。液滴在超疏水-超親水的極端潤濕性表面上經(jīng)60ms后完全從超疏水區(qū)域彈跳至超親水區(qū)域（圖5a），而在具有超疏水-親水的中度潤濕性差異基底上經(jīng)51ms后液滴完全從超疏水區(qū)域彈跳至親水區(qū)域（圖5b）。液滴在超疏水-超親水表面上的定向彈跳距離大于液滴在超疏水-親水的表面上的定向彈跳距離（圖5c）。主要是由于較高的潤濕性對比下作用在回彈液滴上的合力越大，導(dǎo)致其著落距離增大。液滴與親水接觸面積比例的增大使液滴粘附力也隨之增大，黏性耗散能增加，且親水區(qū)域明顯的釘扎效應(yīng)會耗散液滴的動能，使定向彈跳距離及著陸距離也隨之縮短（圖6a-6d）。

圖4 （a）水滴輕微接觸到親水區(qū)域后朝向更潤濕表面的方向定向彈跳；（b）撞擊液滴在超疏水性和親水性區(qū)域上的接觸線軌跡隨時間的變化。

圖5 （a）液滴在超疏水-超親水的極端潤濕性表面上的定向彈跳過程；（b）液滴在超疏水-親水基底上的定向彈跳過程；（c）超疏水-超親水、超疏水-親水基底上定向彈跳的液滴接觸線軌跡隨時間變化圖。

圖6 （a-c）分別為50%、22%、12%親水區(qū)域接觸面積的液滴定向彈跳情況；（d）親水區(qū)域接觸面積比例不同時液滴接觸線軌跡隨時間變化圖。

高溫條件下極端潤濕性交界處液滴定向彈跳

在加熱潤濕模式下可以實現(xiàn)液滴的定向彈跳。當溫度Ts低于Leidenfrost沸點時，液滴朝向親水區(qū)域彈跳（圖7a）。當溫度Ts高于Leidenfrost沸點時，由蒸汽層產(chǎn)生的推力使液滴在交界處垂直反彈或向超疏水區(qū)域移動（圖7b-7c）。

圖7 溫度為（a）150℃；（b）200℃和（c）250℃時不同潤濕性的表面交界處的液滴的定向彈跳。

液滴在極端潤濕性表面的定向運輸

在Laplace壓力差驅(qū)動的潤濕性圖案化表面，實現(xiàn)了液滴從小圓槽到大圓槽的定向運輸（圖8a-8c），流速呈先增大后減少的趨勢（圖8d）。基于這一規(guī)律實現(xiàn)了液滴在潤濕性圖案化微流道表面的匯合和分流運輸運用（圖8e-8f）。

圖8 （a）開放表面微流體系統(tǒng)；（b）去離子水由小圓槽儲層到大圓槽儲層的運輸過程；（c）去離子水由大圓槽儲層到小圓槽儲層的運輸過程；（d）大圓槽儲存的液滴體積及液滴流速隨時間變化量；（e）圖案化微流道中液滴匯合實驗；（f）圖案化微流道中液滴分流實驗。

溫度梯度驅(qū)動下的液滴定向和抗重力運輸

溫度梯度促使液滴從高溫區(qū)遷移到低溫區(qū)，在5.9℃/mm的溫度梯度下實現(xiàn)了去離子水、無水乙醇和和煤油等不同黏度的液體的定向運輸（圖9b），且運輸速率隨溫度梯度的下降而減小（圖9c）。在溫度梯度的作用下，液滴在不同溫度區(qū)域的接觸角不同，低溫部分的表面張力較大。基于此原理實現(xiàn)了最大傳輸傾斜度為3°的去離子水、無水乙醇和和煤油從高溫側(cè)到冷凝側(cè)的短距離抗重力傳輸（圖9d）。

圖9 (a) 由溫度梯度驅(qū)動的液滴運輸實驗裝置；(b)溫度梯度驅(qū)動的不同液滴的定向運輸；(c)不同液滴的遷移速度隨溫度梯度的變化；(d)由溫度梯度驅(qū)動的不同液滴抗重力運輸。

綜上所述，研究人員通過控制潤濕性差異實現(xiàn)了寬泛溫度范圍內(nèi)的極端潤濕性表面的液滴可控蒸發(fā)、定向彈跳和定向運輸。開發(fā)新型潤濕性差異運輸平臺，突破運輸距離限制，減少與運輸平臺的接觸面積，實現(xiàn)不同液滴多場景下的無需能量輸入的低損耗和長距離無泵運輸。基于潤濕性差異的運輸平臺將會在生物化學(xué)、微流控系統(tǒng)、細胞培養(yǎng)和能源采集與利用等領(lǐng)域開辟更多新的應(yīng)用。

論文鏈接： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ac94bb

審核編輯 ：李倩