微液滴/注液表面黏附行為的主被動(dòng)控制及機(jī)理

張學(xué)仁，張亞鋒*，顧興士，余家欣

微液滴/注液表面黏附行為的主被動(dòng)控制及機(jī)理

張學(xué)仁1，張亞鋒1*，顧興士2，余家欣1

（1.西南科技大學(xué) 制造過(guò)程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000）

提出一種微液滴/注液表面黏附行為主/被動(dòng)控制方法，探究在電壓和流體黏度耦合作用下微液滴/注液表面黏附行為動(dòng)態(tài)可調(diào)機(jī)理。在P型硅片表面制備超疏水層，注入黏度分別為10、50、100 mm2/s的聚二甲基硅油制得注液表面，使用固液界面行為測(cè)試儀探究不同黏度和外加電壓下微液滴/注液表面的黏附行為。當(dāng)聚二甲基硅油黏度從10 mm2/s增加到100 mm2/s，微液滴/注液界面潤(rùn)濕力從194 μN(yùn)減小到123 μN(yùn)，最大相互作用力從129 μN(yùn)減小到94 μN(yùn)，分離力從101 μN(yùn)減小到82 μN(yùn)；當(dāng)電壓從0 V增加到240 V時(shí)，潤(rùn)濕力從156 μN(yùn)增加到322 μN(yùn)左右，最大相互作用力從120 μN(yùn)增加到178 μN(yùn)左右，分離力從85 μN(yùn)減小到53 μN(yùn)左右，實(shí)現(xiàn)了黏附力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。高黏度聚二甲基硅油內(nèi)部具有較強(qiáng)的剪切力，但是長(zhǎng)鏈會(huì)增強(qiáng)微液滴/注液表面氫鍵作用，在2種作用形式的耦合下，潤(rùn)濕力、最大相互作用力以及分離力隨黏度的增加而減小。在電壓作用下，微液滴在注液表面產(chǎn)生電潤(rùn)濕行為，有效界面能隨電壓發(fā)生非線性響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了固液界面黏附力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。微液滴/注液表面可以通過(guò)改變電壓與潤(rùn)滑油的黏度實(shí)現(xiàn)黏附行為的主/被動(dòng)的調(diào)節(jié)。

微液滴；注液表面；黏附；電潤(rùn)濕；界面調(diào)控

微液滴的操控與運(yùn)輸技術(shù)在液體轉(zhuǎn)移、藥物運(yùn)輸和微流控芯片等領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視與關(guān)注。固液界面黏附行為是液滴操控與運(yùn)輸技術(shù)中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。固液界面黏附行為可采用被動(dòng)控制與主動(dòng)控制2種方式實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)控制是指利用物理化學(xué)方法永久性改變固體表面的形貌或表面能，如在固體表面制造微結(jié)構(gòu)或在表面涂覆具有不同表面能的化學(xué)試劑，降低或增加固體表面能，改變微液滴在固體表面的潤(rùn)濕性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固液界面黏附行為的調(diào)節(jié)[1-6]。但是固體表面完成制備或改性后，其表面性質(zhì)就已經(jīng)固化，無(wú)法在使用過(guò)程中進(jìn)行更改或?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)，且該表面受到不同程度的損傷時(shí)，還容易造成其功能喪失，難以修復(fù)。因此，主動(dòng)控制固液界面黏附行為的方式得到了越來(lái)越多的關(guān)注和重視。目前，固液界面黏附行為可以通過(guò)機(jī)械拉伸、磁場(chǎng)、溫度和光等外部能量進(jìn)行調(diào)節(jié)。Lou等[7]利用機(jī)械拉伸改變?nèi)嵝圆牧系捏w積以及表面幾何形狀，從而實(shí)現(xiàn)了表面黏附性質(zhì)的控制，Jiang等[8]將磁性物質(zhì)融合到固體表面，使其具備磁響應(yīng)功能，進(jìn)而利用磁性改變表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)了黏附行為的可控調(diào)節(jié)。Yao等[9]利用有機(jī)材料表面的溫度響應(yīng)特性控制界面的黏附行為。Wang等[10]采用低溫水熱法合成了光敏TiO2表面，通過(guò)光照實(shí)現(xiàn)了表面潤(rùn)濕性在疏水和親水之間的可逆轉(zhuǎn)換。Kloxin等[11]利用光敏表面改變表面粗糙度以及表面結(jié)構(gòu)密度，使表面黏附性能具有光響應(yīng)特征。Li等[12]在表面噴涂具有電場(chǎng)響應(yīng)的TiO2納米粒子形成介電彈性體，通過(guò)電場(chǎng)力實(shí)現(xiàn)了表面黏附性能的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。分析發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)方法雖然在一定程度上能實(shí)現(xiàn)固液界面黏附行為的調(diào)節(jié)，但存在界面行為響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、被控液滴二次污染等問(wèn)題，限制了該類(lèi)技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。因此，亟需研究具有響應(yīng)時(shí)間快、能耗低、無(wú)污染的界面黏附行為主動(dòng)控制方法。

介質(zhì)上電潤(rùn)濕是利用外加電壓改變固液界面的有效界面張力，實(shí)現(xiàn)微液滴潤(rùn)濕狀態(tài)快速變化和響應(yīng)的物理現(xiàn)象[13-14]。該技術(shù)具備響應(yīng)時(shí)間快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在固液界面黏附力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方面具備很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。但是在固體表面進(jìn)行介質(zhì)上電潤(rùn)濕試驗(yàn)時(shí)，常發(fā)生接觸角滯后現(xiàn)象，即電壓卸載后液滴無(wú)法完全恢復(fù)到原始狀態(tài)，使界面黏附行為無(wú)法實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)節(jié)。近年來(lái)，注液表面由于在抗污[15-17]、抗結(jié)冰[18-21]、抗黏附[17]、自清潔和吸附[20]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，受到了研究者的廣泛關(guān)注。不僅如此，微液滴在注液表面的接觸角滯后較小[22]，為在注液表面構(gòu)建介質(zhì)上電潤(rùn)濕系統(tǒng)提供了條件。

基于此，本研究擬通過(guò)在超疏水表面添加潤(rùn)滑油（聚二甲基硅氧烷）制備注液表面，通過(guò)外加電壓構(gòu)建微液滴/注液表面介質(zhì)上電潤(rùn)濕系統(tǒng)，并系統(tǒng)研究潤(rùn)滑油黏度對(duì)微液滴/注液表面黏附性能的影響。通過(guò)外加電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)微液滴/注液表面的黏附力，探究潤(rùn)滑油黏度與外部電壓耦合作用下微液滴/注液表面黏附力的動(dòng)態(tài)變化行為和機(jī)制。

1 試驗(yàn)

1.1 液體注入結(jié)構(gòu)表面制備

將P型硅片（SSPP，Siltronic, Germany）切割成20 mm×20 mm大小作為基底。為了確保導(dǎo)電性能，先使用180目砂紙粗磨，然后使用800目砂紙精磨硅片背面氧化層，直至氧化層脫離。然后使用超聲波清洗機(jī)（DSA50-GL，DeSheng，China）將硅片分別置于丙酮、酒精中進(jìn)行超聲清洗。采用噴涂法將超疏水噴霧（Never-Wet，Rust-Oleum，USA）均勻噴涂在硅片上，在26 ℃干燥環(huán)境下靜置1 h，形成超疏水薄膜。通過(guò)白光干涉掃描儀（MFT-3000, Rtec, USA）測(cè)得超疏水薄膜的表面粗糙度約為(233±5) nm，厚度約為500 nm，如圖1a所示。最后在超疏水表面懸滴5 μL黏度分別為10、50、100 mm2/s的硅油（PMX200，DOWSIL，USA），水平靜置8 h制得注液表面，如圖1b所示。

1.2 電壓下的潤(rùn)濕試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)控制試驗(yàn)

使用接觸角測(cè)量?jī)x（DSA30E，KRUSS，German）進(jìn)行液滴在注液表面靜態(tài)介質(zhì)上的電潤(rùn)濕試驗(yàn)。使用導(dǎo)電銀膠（3812，Ausbond，China）將制備好的硅片固定在40 mm×40 mm×0.3 mm的銅片上，銅片與直流電源（PSW250-4.5，GuWei，China）的負(fù)極相連。將銅片放置于測(cè)量平臺(tái)上，然后將體積為10 μL的液滴懸滴于注液表面，再將銅絲從液滴頂部插入液滴內(nèi)部，并將銅絲與直流電源正極相連，如圖2所示。靜態(tài)介質(zhì)上電潤(rùn)濕試驗(yàn)分為加載與卸載2個(gè)階段，加載過(guò)程中電壓從0 V逐漸提升到240 V，加載速度為10 V/s。加載電壓達(dá)到240 V后，開(kāi)始卸載過(guò)程，將電壓逐漸降低到0 V，卸載速度為10 V/s。在加載與卸載過(guò)程中，使用高速攝像機(jī)記錄液滴在注液表面上的接觸角以及接觸線變化。

1.3 液滴與液體注入結(jié)構(gòu)表面之間相互作用力試驗(yàn)

使用固液界面行為測(cè)試儀對(duì)界面黏附行為進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備由光學(xué)攝像機(jī)、電動(dòng)位移平臺(tái)、激光位移傳感器、懸臂梁組成。當(dāng)液滴與樣品表面接觸后，在液滴與表面之間相互作用力的作用下，懸臂梁發(fā)生彎曲，此時(shí)激光位移傳感器記錄懸臂梁的偏轉(zhuǎn)量Δ，如圖3所示。液滴與樣品表面之間的相互作用力可由=Δ得到，其中可為懸臂梁彈性系數(shù)，可由微液滴重力法標(biāo)定。本試驗(yàn)中，懸臂梁彈性系數(shù)=0.693 N/m。

圖1 超疏水表面以及注液表面二維形貌和三維形貌

圖2 液滴在注液表面上的電潤(rùn)濕行為

圖3 液滴與注液表面黏附力測(cè)試原理

液滴/注液表面黏附力測(cè)試分為3個(gè)階段。首先，將液滴固定在懸臂梁上，利用控制器控制位移平臺(tái)使注液表面以0.3 mm/s的速度向上靠近液滴，直到液滴與注液表面接觸，獲得潤(rùn)濕力大小；其次，待懸臂梁達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)后，位移平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)，使微液滴與注液表面開(kāi)始分離，獲得最大相互作用力；最后，位移平臺(tái)持續(xù)下降，直到液滴與注液表面完全分離，獲得分離力。電壓下的黏附力測(cè)試過(guò)程也分為3個(gè)階段，但是在測(cè)試過(guò)程中會(huì)施加一個(gè)恒定電壓。

2 結(jié)果及分析

2.1 微液滴與注液表面的相互作用力

微液滴與注液表面相互作用力的典型曲線如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)，微液滴與注液表面的相互作用力由潤(rùn)濕力、最大作用力和分離力3部分構(gòu)成。當(dāng)微液滴與注液表面還未接觸時(shí)，相互作用力為0（階段Ⅰ）。當(dāng)微液滴與注液表面接觸的瞬間，微液滴將在注液表面鋪展，導(dǎo)致懸臂梁變形，獲得微液滴與注液表面間的潤(rùn)濕力（見(jiàn)圖4中A點(diǎn)）。此時(shí)，液滴與基底接觸后，位移平臺(tái)立即停止，并等待懸臂梁振蕩完全結(jié)束（階段Ⅱ）。然后位移平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)，使微液滴與注液表面分離，獲得最大相互作用力（見(jiàn)圖4中B點(diǎn)）。隨著位移平臺(tái)的進(jìn)一步移動(dòng)，微液滴與注液表面發(fā)生完全分離（見(jiàn)圖4中C點(diǎn)），分離瞬間獲得分離力，懸臂梁振蕩一段時(shí)間后逐漸趨于平穩(wěn)。

圖4 微液滴/注液表面相互作用力的典型變化曲線

2.2 液滴在注液表面上黏附行為的被動(dòng)控制方法

本研究中通過(guò)改變注液表面潤(rùn)滑油黏度來(lái)實(shí)現(xiàn)微液滴/注液表面黏附行為的被動(dòng)控制。黏度對(duì)微液滴/注液表面相互作用力的影響如圖5所示。隨著注液表面潤(rùn)滑油黏度的增加，潤(rùn)濕力、最大相互作用力及分離力均有所降低。當(dāng)表面潤(rùn)滑油黏度從10 mm2/s增加到100 mm2/s，潤(rùn)濕力從194 μN(yùn)減小到123 μN(yùn)，最大相互作用力從129 μN(yùn)減小到94 μN(yùn)，分離力從101 μN(yùn)減小到82 μN(yùn)。因此，潤(rùn)滑油黏度的增加，會(huì)造成液滴與注液表面之間的相互作用力減小。

圖5 潤(rùn)濕力、最大作用力和分離力隨注入液黏度的變化趨勢(shì)

式中：lv為水氣表面張力；ov是油氣表面張力；ol為油水表面張力；為液滴表觀接觸角。由于注液表面內(nèi)部切應(yīng)力對(duì)液滴鋪展會(huì)產(chǎn)生影響，可將切應(yīng)力的影響引入式（1）。為潤(rùn)滑油的厚度，為潤(rùn)滑液產(chǎn)生的剪切力，即：

由式（2）可以看出，此時(shí)微液滴在四項(xiàng)力的作用下在注液表面達(dá)到平衡。因此，當(dāng)潤(rùn)滑油黏度越大，微液滴鋪展受到的阻力越大，此時(shí)通過(guò)儀器采集到的鋪展力越小。這與Baek等[23]的試驗(yàn)結(jié)果一致，即潤(rùn)滑油黏度越大，切應(yīng)力越大，微液滴鋪展的能量耗散越大。

圖6 液滴在注液表面潤(rùn)濕過(guò)程受力

此外，微液滴與注液表面相互作用的最大力隨著潤(rùn)滑油黏度的增加而降低，當(dāng)潤(rùn)滑油黏度從10 mm2/s增加到100 mm2/s時(shí)，最大力從129 μN(yùn)減小到94 μN(yùn)。微液滴與注液表面的最大相互作用力發(fā)生在2個(gè)表面分離的過(guò)程中。Sun等[24]指出，液滴與注液表面分離過(guò)程中的力可以通過(guò)式（3）進(jìn)行估算。

式中：為液滴與注液表面接觸線半徑；re為后退接觸角；Δ為拉普拉斯壓力差；1和2為液橋的曲率半徑。

微液滴在不同黏度注液表面的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，1隨黏度的增加變化不大，而2隨著黏度的增加減小。結(jié)果表明，隨著潤(rùn)滑油黏度的增大，微液滴分離過(guò)程中最大力在液橋出現(xiàn)“頸縮”之前。通過(guò)式（3）計(jì)算可得出，當(dāng)黏度從10 mm2/s增加到100 mm2/s時(shí)，最大相互作用力從約207.26 μN(yùn)減小到了約191.09 μN(yùn)。如圖7所示，分離過(guò)程中，接觸線收縮，需要克服潤(rùn)滑油的黏度產(chǎn)生的切應(yīng)力做功。因此，隨著黏度的增加，三相接觸線在潤(rùn)滑油界面運(yùn)動(dòng)時(shí)需要更大的力。此時(shí)，微液滴分離過(guò)程中產(chǎn)生變形，導(dǎo)致曲率2不斷減小，液橋在分離的過(guò)程中更加容易出現(xiàn)斷裂。因此，微液滴在低黏度注液表面容易在界面發(fā)生分離，而在高黏度注液表面時(shí)，液滴與注液表面并不會(huì)發(fā)生完全分離，有一部分液滴會(huì)殘留在注液表面，如圖8所示。即隨著潤(rùn)滑油黏度的增加，液滴從注液表面分離由界面分離趨向于界面分離和液橋斷裂結(jié)合的方式，此時(shí)分離力從約101 μN(yùn)減小到約82 μN(yùn)。上述結(jié)果表明，隨著潤(rùn)滑油黏度的增加，微液滴與潤(rùn)滑油的相互作用力會(huì)增加，從而導(dǎo)致微液滴的分離模式發(fā)生改變，進(jìn)一步改變了最大力和分離力。

此外，在本試驗(yàn)中所使用潤(rùn)滑油為聚二甲基硅油，其主要組成部分為聚二甲基硅氧烷。潤(rùn)滑油黏度的增加，油中的分子鏈長(zhǎng)也會(huì)增加，因此聚硅氧烷中氧原子的電子密度增加（如圖9所示），而這會(huì)導(dǎo)致水中的氫原子與聚硅氧烷的原子間的氫鍵加強(qiáng)[25-26]，繼而使液滴與潤(rùn)滑油之間的相互作用力增加，最終導(dǎo)致液滴在界面鋪展和回縮時(shí)的阻力增加，從而導(dǎo)致潤(rùn)濕力、最大力和分離力均隨著黏度的增加而改變。

圖7 液滴與注液表面拉伸時(shí)界面受力

表1 注入液黏度與液滴外形參數(shù)及最大作用力的關(guān)系

Tab.1 Relationships between infused liquid viscosity and droplet shape and maximum interaction force

圖8 微液滴與注液表面分離后在注液表面殘留的液滴，注入液黏度分別為

圖9 聚二甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)

2.3 液滴在注液表面上黏附行為的主動(dòng)控制方法

注液表面上的介質(zhì)上電潤(rùn)濕試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。當(dāng)加載電壓從0 V上升到60 V，微液滴的接觸角維持在98.60°±0.34°，并沒(méi)有明顯的變化。電壓繼續(xù)增加電壓到240 V，接觸角從98.36°逐漸減小到87.98°。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)外加電壓在0～60 V區(qū)間時(shí)，微液滴接觸角幾乎不會(huì)發(fā)生改變，處于靜態(tài)區(qū)（Ⅰ）。當(dāng)外加電壓大于60 V時(shí)，微液滴的接觸角隨電壓的增加而減小，該區(qū)域?yàn)樽兓瘏^(qū)（Ⅱ）。此外，當(dāng)電壓從240 V減小到0 V時(shí)，液滴接觸角從89.12°增加到97.48°。結(jié)果表明，微液滴在注液表面上的接觸角可以通過(guò)電壓實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)節(jié)。

不同加載電壓下微液滴在注液表面的黏附性能如圖11所示。當(dāng)加載電壓從0 V增加到240 V，潤(rùn)濕力從156 μN(yùn)增加到322 μN(yùn)，最大相互作用力從120 μN(yùn)增加到約178 μN(yùn)。分離力在0～120 V從85 μN(yùn)減小到57 μN(yùn)，電壓繼續(xù)增加到240 V，分離力維持在(59.11±6.51) μN(yùn)，沒(méi)有明顯的減小趨勢(shì)。

圖10 微液滴在注液表面接觸角隨電壓的變化曲線

式中：σlo為油水界面能；V為施加的電壓；ε0和ε1分別為真空介電常數(shù)和介電層的相對(duì)介電常數(shù)；d為介電層的厚度。在接觸線附近，電場(chǎng)和電荷分布都會(huì)發(fā)生發(fā)散，產(chǎn)生的麥克斯韋應(yīng)力達(dá)到最大值。通過(guò)對(duì)麥克斯韋應(yīng)力在水平方向上的分量進(jìn)行積分，可以得到作用在三相接觸線上靜電力[14]:

式中：η為電潤(rùn)濕數(shù)，與電壓有關(guān)?？梢园l(fā)現(xiàn)，靜電力與外加電壓的平方成正比，會(huì)隨著電壓的增加而呈指數(shù)增加。此時(shí)，電壓作用下注液表面的微液滴的力的平衡如圖12所示。

在潤(rùn)濕階段，電壓會(huì)降低微液滴與注液表面的有效界面能，靜電力會(huì)讓微液滴更容易在表面鋪展，接觸線長(zhǎng)度會(huì)隨著電壓的增加而增加，所以潤(rùn)濕力會(huì)隨著電壓的增加而增加，如圖13所示。由于靜電力F與電壓的二次方呈正比，因此接觸線長(zhǎng)度的變化與電壓成非線性關(guān)系。

圖13 微液滴接觸線長(zhǎng)度與電壓關(guān)系

此外，隨著電壓的增加，可以發(fā)現(xiàn)微液滴從注液表面分離時(shí)的最大力有所增加。微液滴與注液表面分離過(guò)程中，接觸線在表面張力、拉普拉斯壓力和靜電力的作用下出現(xiàn)界面滑移，由于外加電壓會(huì)增加接觸線長(zhǎng)度，因此液滴與注液表面分離時(shí)會(huì)消耗更多的能量，最大力會(huì)隨著電壓的增加而有所增加。

分離力的大小取決于微液滴與注液表面分離時(shí)的界面。在無(wú)電壓作用下，微液滴與注液表面在界面處發(fā)生分離。在電壓的作用下，微液滴在液橋發(fā)生斷裂，隨著電壓的增加，液橋斷裂的高度也增加，更多的液體在強(qiáng)的微液滴/注液表面作用下而留在注液表面，如圖14所示。

對(duì)于電壓作用下微液滴與注液表面的相互作用過(guò)程，可以用黏附功A表示[27]：

將式（5）中的油-水界面有效界面能代入式（7），可得到加載電壓作用下的黏附功V：

式中：ov為油氣界面能；lv為水氣表面能。

圖14 液滴分離時(shí)液橋斷裂高度隨電壓變化

無(wú)電壓加載時(shí)黏附功D為：

因此可得到有加載電壓與無(wú)加載電壓下黏附功之間的關(guān)系：

可以發(fā)現(xiàn)，微液滴/注液表面的黏附功由2部分組成。第一部分與注液表面的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)注液表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如黏度，調(diào)節(jié)界面黏附性能；第二部分與外加電壓有關(guān)，通過(guò)增加或降低電壓可以使液滴-注液表面黏附性能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

本文研究了液滴/注液表面潤(rùn)滑油黏度和外加電壓對(duì)黏附行為的影響機(jī)理，得出如下結(jié)論：

1）注液表面黏度從10 mm2/s增加到100 mm2/s，潤(rùn)濕力從194 μN(yùn)減小到123 μN(yùn)，最大相互作用力從129 μN(yùn)減小到94 μN(yùn)，分離力從101 μN(yùn)減小到82 μN(yùn)。隨著注液表面潤(rùn)滑油黏度上升，潤(rùn)滑油內(nèi)部的剪切力以及潤(rùn)滑油內(nèi)的聚硅氧烷分子與水分子之間的氫鍵作用增加，阻礙了微液滴在注液表面的潤(rùn)濕與分離，導(dǎo)致了微液滴與注液表面間的相互作用力減小。

2）當(dāng)電壓從0 V增加到240 V時(shí)，潤(rùn)濕力從156 μN(yùn)增加到322 μN(yùn)左右，最大相互作用力從120 μN(yùn)增加到178 μN(yùn)左右。油水界面在電壓作用下形成介質(zhì)上電潤(rùn)濕系統(tǒng)，電壓改變了油-水界面有效界面能，導(dǎo)致微液滴在注液表面上的黏附功增大，進(jìn)而造成了潤(rùn)濕力與最大相互作用力增加。

3）本研究通過(guò)主/被動(dòng)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了微液滴/注液表面潤(rùn)濕力在123 μN(yùn)到322 μN(yùn)范圍內(nèi)可調(diào)，最大相互作用力在94 μN(yùn) 到178 μN(yùn)范圍內(nèi)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。該研究為微流體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及微液滴精確控制提供了技術(shù)和理論指導(dǎo)。

[1] ZHAO Yan-hua, WU Yang, WANG Liang, et al. Bio-Insp-ired Reversible Underwater Adhesive[J]. Nature Commu-nications, 2017, 8: 2218.

[2] HAO Chong-lei, LIU Ya-hua, CHEN Xue-mei, et al. Bio-inspired Interfacial Materials with Enhanced Drop Mobi-lity: From Fundamentals to Multifunctional Applica-tions[J]. Small, 2016, 12(14): 1825-1839.

[3] LU Hao-jian, ZHANG Mei, YANG Yuan-yuan, et al. A Bioinspired Multilegged Soft Millirobot that Functions in both Dry and Wet Conditions[J]. Nature Communications, 2018, 9: 3944.

[4] YANG Si-min, WANG Jian-qiang, WANG Yang, et al. Interfacial Polymerized Polyamide Nanofiltration Mem-brane by Demulsification of Hexane-in-Water Droplets through Hydrophobic PTFE Membrane: Membrane Per-formance and Formation Mechanism[J]. Separation and Purification Technology, 2021, 275: 119227.

[5] BAI Xue, YANG Qing, FANG Yao, et al. Anisotropic, Adhesion-Switchable, and Thermal-Responsive Superhy-drophobicity on the Femtosecond Laser-Structured Shape- Memory Polymer for Droplet Manipulation[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 400: 125930.

[6] WANG Dong-hui, JIANG You-hua, ZHU Zhang-lei, et al. Contact Line and Adhesion Force of Droplets on Concen-tric Ring-Textured Hydrophobic Surfaces[J]. Langmuir, 2020, 36(10): 2622-2628.

[7] LOU Xiao-ding, HUANG Yu, YANG Xian, et al. Lubricant-Infused Surfaces: External Stimuli Responsive Liquid-Infused Surfaces Switching between Slippery and Nonslippery States: Fabrications and Applications (Adv. Funct. Mater. 10/2020)[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 30(10): 1901130.

[8] IANG Shao-jun, HU Yan-lei, WU Hao, et al. Multifunc-tional Janus Microplates Arrays Actuated by Magnetic Fields for Water/Light Switches and Bio-Inspired Assimi-latory Coloration[J]. Advanced Materials, 2019, 31(15): 1807507.

[9] YAO Xi, JU Jie, YANG Shuai, et al. Temperature-Driven Switching of Water Adhesion on Organogel Surface[J]. Advanced Materials, 2014, 26(12): 1895-1900.

[10] WANG Jun-wei, MAO Bao-dong, GOLE J L, et al. Visible-Light-Driven Reversible and Switchable Hydro-phobic to Hydrophilic Nitrogen-Doped Titania Surfaces: Correlation with Photocatalysis[J]. Nanoscale, 2010, 2(10): 2257-2261.

[11] KLOXIN C J, SCOTT T F, PARK H Y, et al. Mechano-photopatterning on a Photoresponsive Elastomer[J]. Advanced Materials, 2011, 23(17): 1977-1981.

[12] LI Yan, LI Jin-rong, LIU Li-wu, et al. Switchable Wetta-bility and Adhesion of Micro/Nanostructured Elastomer Surface via Electric Field for Dynamic Liquid Droplet Manipulation[J]. Advanced Science, 2020, 7(18): 2000772.

[13] CHEN Long-quan, BONACCURSO E. Electrowetting- From Statics to Dynamics[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2014, 210: 2-12.

[14] MUGELE F, BARET J C. Electrowetting: From Basics to Applications[J]. Journal of Physics: Condensed Matter, 2005, 17(28): R705-R774.

[15] EPSTEIN A K, WONG T S, BELISLE R A, et al. Liquid-Infused Structured Surfaces with Exceptional Anti-Biofouling Performance[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109(33): 13182-13187.

[16] WARE C S, SMITH-PALMER T, PEPPOU-CHAPMAN S, et al. Marine Antifouling Behavior of Lubricant- Infused Nanowrinkled Polymeric Surfaces[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(4): 4173-4182.

[17] DOLL K, YANG I, FADEEVA E, et al. Liquid-Infused Structured Titanium Surfaces: Antiadhesive Mechanism to RepelBiofilms[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(26): 23026-23038.

[18] KIM P, WONG T S, ALVARENGA J, et al. Liquid- Infused Nanostructured Surfaces with Extreme Anti-Ice and Anti-Frost Performance[J]. ACS Nano, 2012, 6(8): 6569-6577.

[19] NGUYEN T B, PARK S, JUNG Y, et al. Effects of Hydrophobicity and Lubricant Characteristics on Anti- Icing Performance of Slippery Lubricant-Infused Porous Surfaces[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemi-stry, 2019, 69: 99-105.

[20] MA Qiang, WANG Wei, DONG Guang-neng. Facile Fabrication of Biomimetic Liquid-Infused Slippery Surface on Carbon Steel and Its Self-Cleaning, Anti- Corrosion, Anti-Frosting and Tribological Properties[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Enginee-ring Aspects, 2019, 577: 17-26.

[21] BOINOVICH L B, EMELYANENKO K A, EMELYANENKO A M. Superhydrophobic Versus SLIPS: Temperature Dependence and the Stability of Ice Adhe-sion Strength[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 606: 556-566.

[22] HAO Chong-lei, LIU Ya-hua, CHEN Xue-mei, et al. Electrowetting on Liquid-Infused Film (EWOLF): Com-plete Reversibility and Controlled Droplet Oscillation Suppression for Fast Optical Imaging[J]. Scientific Reports, 2014, 4: 6846.

[23] BAEK S, YONG K. Impact Dynamics on SLIPS: Effects of Liquid Droplet's Surface Tension and Viscosity[J]. Applied Surface Science, 2020, 506: 144689.

[24] SUN Yu-jin, JIANG You-hua, CHOI C H, et al. Direct Measurements of Adhesion Forces for Water Droplets in Contact with Smooth and Patterned Polymers[J]. Surface Innovations, 2017, 6(1): 1-52.

[25] BODAS D, KHAN-MALEK C. Hydrophilization and Hydrophobic Recovery of PDMS by Oxygen Plasma and Chemical Treatment—An SEM Investigation[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, 123(1): 368-373.

[26] MAJI D, LAHIRI S K, DAS S. Study of Hydrophilicity and Stability of Chemically Modified PDMS Surface Using Piranha and KOH Solution[J]. Surface and Interface Analysis, 2012, 44(1): 62-69.

[27] BUTT H J, ROISMAN I V, BRINKMANN M, et al. Characterization of Super Liquid-Repellent Surfaces[J]. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2014, 19(4): 343-354.

Active/Passive Control and Mechanism of the Adhesion Behaviors of Droplet/Liquid-infused Surface

1,1*,2,1

(1. Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process, Ministry of Education, Southwest University of Science and Technology, Sichuan Mianyang 621010, China; 2. Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing, China Aerodynamics Research and Development Center, Sichuan Mianyang 621000, China)

Controlling microdroplets has gotten wide attention due to its potential applications in drug delivery, microfluidic devices and lab on chip, etc. Recently, various methods were used to manipulate microdroplet. For example, surfaces were modified by coating with different surface energy, or by micro-structures to change the property of surface to manipulate microdroplet. These methods were classified as passive methods because the functions of the surface could not be changed when the surface was modified. Moreover, active methods, such as temperature, light, electricity, magnetism and mechanical stress, etc. were used to manipulate microdroplet dynamically. However, although the adhesion behavior at liquid/solid interface could be adjusted, some obstacles such as long response time, high energy consumption and droplet pollution, limited the application of those technologies. Therefore, a combined active and passive approach was required to manipulate microdroplets with fast response time, low energy consumption, and no pollution.

In this study, silicon chip with size of 20 mm×20 mm was used as substrate. To ensure the conductivity, the back of the silicon chip was ground with sandpaper to remove the oxide layer. Then, the silicon chip was coated by spraying superhydrophobic liquid. After drying for 1 h, the superhydrophobic film was formed. The liquid-infused surfaces were prepared by adding lubricating oil (polydimethylsiloxane) to the superhydrophobic surface. Droplet was placed on the oil-infused surface and then electrowetting system on the droplet/oil-infused surface was established with applied voltage. Lubricant with viscosity of 10 mm2/s, 50 mm2/s and 100 mm2/s and applied voltage (0-240 V) were used in this work. Moreover, the effect of oil viscosity and applied voltage on the droplet/oil-infused surface adhesion behaviors was investigated. The adhesion mechanisms under the coupling effects of lubricating oil viscosity and applied voltage were studied.

The adhesion force variation process could be described with snap-in force, maximum force and pull-off force. The snap-in force decreased from 194 μN(yùn) to 123 μN(yùn), the maximum force decreased from 129 μN(yùn) to 94 μN(yùn), and the pull-off force decreased from 101 μN(yùn) to 82 μN(yùn) when the liquid viscosity increased from 10 mm2/s to 100 mm2/s. Snap-in force increased from 156 μN(yùn) to 322 μN(yùn), the maximum force increased from 120 μN(yùn) to 178 μN(yùn) and the pull-off force decreased from 85 μN(yùn) to 53 μN(yùn) when the applied voltage increased from 0 V to 240 V. Active control of the adhesion behaviors is achieved. It is indicated that the high-viscosity polydimethylsiloxane has strong internal shear force, however, the long chain will enhance the hydrogen at the droplet/liquid-infused surface. Consequently, the snap-in force, the maximum force and the pull-off force decrease with viscosity. Moreover, the effective interface energy varies nonlinearly with the voltage, realizing real-time adjustment of the adhesion force of the droplet/liquid-infused surface. The adhesion behaviors of droplet/liquid-infused surface can be actively/passively controlled by changing the voltage and the viscosity of the lubricant. Results help to provide theoretical and technical guidance for development of a new micro-droplet controlling method.

microdroplet; liquid-infused surface; adhesion; electrowetting; interface adjustment

2022-10-13；

2023-01-17

TH136

A

1001-3660(2023)10-0304-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.026

2022-10-13；

2023-01-17

四川省科技廳項(xiàng)目（2022ZHCG0050）；中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（IADL20210103，IADL20210403）

Science and Technology Department of Sichuan Province (2022ZHCG0050); Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing, China Aerodynamics Research and Development Center (IADL2021110103, IDAL20210403)

張學(xué)仁, 張亞鋒, 顧興士, 等.微液滴/注液表面黏附行為的主被動(dòng)控制及機(jī)理[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(10): 304-312.

ZHANG Xue-ren, ZHANG Ya-feng, GU Xing-shi, et al. Active/Passive Control and Mechanism of the Adhesion Behaviors of Droplet/Liquid- infused Surface[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 304-312.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：劉世忠