非對稱納米結構表面的高溫各向異性浸潤性引發液滴的定向運動

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/

表面的非對稱的結構引發浸潤性的各向異性，從而調控液滴的定向驅動與傳輸，會在集水，傳熱，微流控等諸多領域均有很重要的應用前景。迄今為止，研究者們提出了許多非對稱結構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，受蒸發導致的蒸汽氣壓的影響，滴加在高溫對稱結構表面上的液滴會表現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。但滴加在非對稱結構表面上的液滴的行為比較復雜，傳統適用于常溫情況下的浸潤性各向異性的表面設計理論無法解釋那些在高溫環境中材料的浸潤性情形。據此，系統的研究高溫情況下非對稱結構表面的特征與表面的浸潤性表現及滴加在表面上液滴的行為的關系對于設計具有在高溫下液滴驅動能力的材料有很重要的意義。北京航空航天大學化學與環境學院鄭詠梅教授，中科院化學所江雷教授及其研究團隊在研究非對稱結構表面高溫下的浸潤性表現及其液滴驅動能力方面取得了重要進展。

研究者們通過制備一系列具有不同傾斜角度，化學表面能，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態行為調控。他們發現，對于中等長度的斜角硅納米線表面（即適中的粗糙度），常溫下表現超親水性傾斜硅納米線表面會在高溫下表現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產生的蒸汽的推動作用，可以實現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定的運動，且液滴的運動速度的快慢與硅納米線的傾斜角度的大小依賴關系。液滴能夠在表面穩定運動的原因在非對稱鋪展過后，液滴與表面之間會形成一層氣膜。氣膜的出現標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動的同時不會因為劇烈的蒸發而消失。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動，但因為液滴在與表面接觸過程中沒有穩定氣膜的形成，液滴會發生劇烈沸騰甚至爆炸而不利于實際應用。對于長度較短的硅線表面（即低粗糙度）或者常溫下表現的不夠親水，氣膜在液滴與表面直接接觸時便已形成，表面在高溫下會表現出超疏水性，液滴不能夠在這個表面鋪展，也不會表現出運動的方向性。該研究成果為設計具有在高溫下液滴驅動能力的材料提供了理論與實際指導