非对称纳米结构表面的高温各向异性浸润性引发液滴的定向运动

AM表面的非对称的结构引发浸润性的各向异性,从而调控液滴的定向驱动与传输,会在集水,传热,微流控等诸多领域均有很重要的应用前景。迄今为止,研究者们提出了许多非对称结构的浸润性各向异性的理论。然而这些理论仅仅适用于常温的材料。近年的研究表明,受蒸发导致的蒸汽气压的影响,滴加在高温对称结构表面上的液滴会表现出不同于在常温表面上的液滴的行为,表面的浸润性随着温度的改变而改变。但滴加在非对称结构表面上的液滴的行为比较复杂,传统适用于常温情况下的浸润性各向异性的表面设计理论无法解释那些在高温环境中材料的浸润性情形。据此,系统的研究高温情况下非对称结构表面的特征与表面的浸润性表现及滴加在表面上液滴的行为的关系对于设计具有在高温下液滴驱动能力的材料有很重要的意义。北京航空航天大学化学与环境学院郑咏梅教授,中科院化学所江雷教授及其研究团队在研究非对称结构表面高温下的浸润性表现及其液滴驱动能力方面取得了重要进展

研究者们通过制备一系列具有不同倾斜角度,化学表面能,及粗糙程度的硅纳米线阵列表面,研究了高温下滴加在这些表面上的液滴的动态行为调控。他们发现,对于中等长度的斜角硅纳米线表面(即适中的粗糙度),常温下表现超亲水性倾斜硅纳米线表面会在高温下表现出浸润性的各向异性。借助于这种高温下的浸润性各向异性及液滴蒸发产生的蒸汽的推动作用,可以实现滴加在表面上的液滴在非对称铺展后沿着硅线倾斜的方向稳定的运动,且液滴的运动速度的快慢与硅纳米线的倾斜角度的大小依赖关系。液滴能够在表面稳定运动的原因在非对称铺展过后,液滴与表面之间会形成一层气膜。气膜的出现标志着莱顿弗罗斯特液滴的形成。气膜降低了表面与液滴之间的传热及阻力,从而使液滴能够在快速的运动的同时不会因为剧烈的蒸发而消失。对比研究表明,对于较长硅线(即太过粗糙)的表面,尽管表面表现出浸润性的各向异性,液滴在表面上能够形成非对称铺展和定向运动,但因为液滴在与表面接触过程中没有稳定气膜的形成,液滴会发生剧烈沸腾甚至爆炸而不利于实际应用。对于长度较短的硅线表面(即低粗糙度)或者常温下表现的不够亲水,气膜在液滴与表面直接接触时便已形成,表面在高温下会表现出超疏水性,液滴不能够在这个表面铺展,也不会表现出运动的方向性。该研究成果为设计具有在高温下液滴驱动能力的材料提供了理论与实际指导。