1 研究背景

親/疏水圖案表面液滴自組裝行為的研究有助于理解液滴在特殊復雜表面上的動力學行為，為開發(fā)新型的微流體器件和材料提供科學基礎。

江南大學研究人員結合基于高速攝像技術的可視化實驗方法，與基于VOF的數值模擬方法、基于液滴沖擊的能量守恒數學模型計算方法，觀察液滴鋪展、收縮、分裂、飛濺等行為，系統研究雷諾數Re、韋伯數We和圖紋基底特性對液滴行為的影響。其中可視化實驗部分，研究了液滴沉積行為和分裂動力學在圖案化表面上的動態(tài)行為。

2 可視化實驗設備和儀器

1）覆有SiO2/OTS涂層的玻璃基材，通過放置陰影掩模區(qū)隔親水和疏水區(qū)域。

2）壓電驅動的微液滴發(fā)生器，按需產生液滴，液滴體積（直徑1~2.3毫米）由噴嘴尺寸控制，液滴速度（0~1米/秒）由噴嘴與基底之間的距離決定。

3）千眼狼高速攝像機（Revealer,X113M）。

圖1

3 高速攝像可視化實驗部分

基于高速攝像技術的實驗研究關鍵在不同親疏水表面上觀察液滴的鋪展、收縮、分裂、飛濺等行為，以10000fps/s速度、20μm/pixel的圖像分辨率可視化記錄液滴高速撞擊的過程。

1）通過用紫外線/臭氧光照射覆蓋有陰影掩碼的疏水SiO2/OTS基底，將其暴露區(qū)域轉化為親水區(qū)域，從而創(chuàng)建混合濕潤表面。原始SiO2/OTS基底的靜態(tài)接觸角SCA為Θpho=156°，暴露于紫外線/臭氧的區(qū)域的SCA為Θphi ，是曝光時間的函數，如圖1。

2）紫外線/臭氧光波長為184納米和254納米，能夠有效地分解有機化合物并產生反應，進而在陰影掩碼覆蓋的暴露表面上產生親水效果，未暴露的SiO2/OTS涂層表面仍然保持疏水。通過紫外線/臭氧處理的時間來創(chuàng)建5°~156°接觸角的來如圖2。

圖2

3）通過控制紫外線/氧氣暴露時間改變親水區(qū)域的靜態(tài)接觸角SCA，進而改變親水/疏水條紋表面的SCA對比度（ΔΘ=Θpho-Θphi），開展水滴沖擊實驗。利用高速攝像機Revealer X113M可視化記錄。實驗中，水滴沖擊親水條紋，并橋接到兩側的親水區(qū)域。當SCA對比度ΔΘ=86°時，雷諾數Re=200，韋伯數We=1.1，沖擊的水滴不會分裂。親水條紋上的液橋只是振蕩，直到在圖案區(qū)域上形成了一個“蝴蝶”形狀的水橋，如圖3。

圖3

4）繼續(xù)控制紫外線/氧氣暴露時間，進行水滴沖擊實驗。當SCA對比度ΔΘ=126°時，雷諾數Re=200，韋伯數We=1.1，水滴在親水條紋上落地后迅速收縮，并擴展到兩側的親水區(qū)域，然后分裂、穩(wěn)定，并局限于親水區(qū)域，如圖4所示。

圖4

5）實驗結果表明，親水/疏水條紋表面的SCA對比度ΔΘ對水滴沖擊和沉積特性有強烈的影響。

6）進一步采用基于體積分數VOF的數值模型進一步研究液滴沖擊具有親水/疏水圖案的非均質潤濕表面。同時采用基于液滴沖擊帶來的“動能”和“表面能”能量守恒原理的數學模型深入研究液滴分裂機制，預測液滴分裂現象。

4 研究結論

基于高速攝像的可視化實驗結果，基于體積分數VOF的數值模擬結果，基于能量守恒數學模型計算結果三者吻合，在液滴分裂預測上是一致的。

研究結果表明，液滴的撞擊速度、親水/疏水對比度和條紋寬度是影響液滴分裂和沉積形態(tài)的主要因素，可為噴墨打印、微流控應用中更精準地操控液滴自組裝能力提供質量依據。

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