水滴表面流動性的消除機理及其套用

《水滴表面流動性的消除機理及其套用》是依託同濟大學，由李曉光擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水滴表面流動性的消除機理及其套用
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李曉光
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

隨著人工超疏水表面研究的發展，超疏水表面上的水滴作為一種微流體逐漸成為物理、化學等學科的研究對象。水滴切割、水滴的類彈性碰撞、水滴微反應容器等別開生面的研究從理論和套用兩方面顯示了這一新興領域的蓬勃朝氣。液體具有流動性，所以水滴可以呈現出光滑的、只有一個曲率中心的球形表面，這是其所有性能和行為的基礎。然而我們已經證明，水滴的表面流動性可以通過機械壓力和疏水物質的共同作用予以消除，從而使其發生固體般的穩定形變以及一系列特異行為。這一特性與液體的常規性質相反，若相關研究獲得突破將產生重大影響。本項目在此發現基礎上將深入研究流動性消失的物理機制，探索失去表面流動性的水滴的表面和內部結構、能量變化以及水分子與疏水顆粒間的相互作用。此外還將對包括非純水體系在內的液滴蒸發過程及其克服表面張力作用後的蒸發產物進行研究，在多方面了解表面流動性消除的同時為其套用開闢方向。

結題摘要

將微米或納米顆粒引入到水滴表面，由於顆粒的隔離作用，水滴將不會浸潤任何基底，這種液滴－顆粒複合體系被稱為液體彈珠，在化學分析、材料合成、細胞培養等領域有著廣泛的套用。傳統的液體彈珠的製備是令水滴在粉末上滾動，使粉末中的顆粒引入到水滴表面，這樣形成的顆粒殼包含大量的團簇，從而降低了水滴的透明性；另外，這種方法獲得的顆粒面密度通常較小，顆粒不能完整包裹水滴，因此水滴會保持球形或扁球形。2013年，申請人利用溶膠－凝膠法製備的超疏水薄膜對水滴進行擠壓等操縱，將薄膜上的納米顆粒轉移到了水滴表面，製備出了非球形且可任意變形的液體彈珠。由於避免了團簇，納米顆粒在水滴表面無法直接觀察，因此變形的液體彈珠好似一個失去了流動性的裸液滴，對這種複雜液滴的形成機制和物理特性的研究即是本項目的主要內容。本項目通過實驗、理論和仿真手段的結合主要獲得了以下成果：（１）揭示了水滴表面流動性的消除原因在於界面納米顆粒的堵塞；（２）發現水滴表面的堵塞狀態主要取決於顆粒密度，而顆粒密度可以通過壓力和體積進行調控；（３）利用重力誘導的粘滯效應，實現了毫升級別水餅的界面堵塞，並在此基礎上實現了液體形狀的精確控制；（４）開發了兩種利用界面堵塞製備單層納米顆粒覆蓋的液體彈珠的方法，並求算出堵塞後顆粒膜的面積減小了86％，顆粒間距減小了7％。這些成果較為系統地解釋了水滴表面流動性消除的現象，闡明了透明的可變形的液體彈珠的形成機制、構造和形態調控，為後續深入研究該體系的物理特性和套用奠定了基礎。