高能表面上雙組分液滴的運(yùn)動

陳京萱，曾 淇，陽雨欣，封怡寧，龐 海，王立英，廖 怡，秦 珠

(天津大學(xué) 理學(xué)院，天津 300350)

控制液滴的運(yùn)動行為在微流體的處理[1]、自清潔表面[2]及熱傳遞[3]中十分重要. 液滴運(yùn)動可以通過表面能的梯度來實(shí)現(xiàn)，然而現(xiàn)有技術(shù)需要大的梯度或者精心準(zhǔn)備的表面才能克服接觸線釘扎的影響，這通常會限制液滴運(yùn)動. 近幾年，Cira等人[4]發(fā)現(xiàn)，對于雙組分液滴如丙二醇(PG)和水的混合液滴，在干凈的玻璃上不會被釘扎，也不會引起相鄰液滴在一定距離內(nèi)的運(yùn)動，因?yàn)閷τ诟吣鼙砻嫔系倪@些雙組分液滴不會完全擴(kuò)散，而是表現(xiàn)出明顯的接觸角，由蒸發(fā)誘導(dǎo)的表面張力梯度讓近鄰液滴移動. 使用日常材料可以實(shí)現(xiàn)由表面張力驅(qū)動的自燃流體機(jī)械的應(yīng)用， Cira等人的研究為研制自發(fā)傳感裝置和基于此運(yùn)動的設(shè)備提供了新的思路.

雖然液滴的運(yùn)動在相關(guān)文獻(xiàn)中被研究過，然而對于制造真正滿足液滴能夠運(yùn)動起來的條件并不容易，而且此類實(shí)驗(yàn)在國內(nèi)鮮有研究. 本文將含有丙二醇和水的雙組分液滴放在被處理過的高能基底(電暈放電清潔過的玻璃片)時(shí)，液滴會自發(fā)地運(yùn)動，呈現(xiàn)出長程吸引和短程追逐的現(xiàn)象.

1 原 理

高能基底有利于液滴的擴(kuò)散，比如，純水或純PG在高能基底上是完全擴(kuò)散的，而PG和水的混合物可以在高能基底上形成液滴. 阻止完全擴(kuò)散的原因是水蒸發(fā)的速度比PG快，液滴的邊界處比內(nèi)部蒸發(fā)速度快，并且液滴的邊界具有更高的表面積體積比. 與水相比PG在邊界處具有更高的體積分?jǐn)?shù)，由此形成了表面張力梯度，即Marangoni應(yīng)力，如圖1(a)所示，液滴內(nèi)部產(chǎn)生逆流現(xiàn)象(研究表明，此種逆流只在固定液滴中存在)，在液滴底部，流動方向由中心向邊緣，而在液滴上部，流動方向由邊緣向中心，從邊緣到中心的流動速度大于向外流動的速度，形成的逆流沿著液滴頂部將液體拉向中心，該效應(yīng)使液滴減慢或停止擴(kuò)散，從而形成了穩(wěn)定的接觸角且被薄膜包圍的液滴. 圖1(b)表明對于較低能量表面上的相同液滴，逆流被限制在液滴邊界處，液滴周圍沒有薄膜[4].

(a)高能表面

(b)低能表面圖1 雙組分液滴在高能表面和低能表面

這2種成分形成的液滴具有潤濕和不潤濕液體的特性，它們保持了穩(wěn)定的接觸角，液滴處于一個薄膜上，只要擴(kuò)散因子大于等于0，液滴不應(yīng)“感覺”到固體表面，也就不應(yīng)該有釘扎力，液滴就會表現(xiàn)出高遷移率，在微小力的影響下液滴就可以發(fā)生移動，這就是液滴能夠在高能基底上運(yùn)動而不能在較低能表面上運(yùn)動的原因.

在高能基底上，當(dāng)2個液滴在相距數(shù)個半徑的距離處沉積時(shí)，它們彼此移動，液滴互相靠近時(shí)速度加快. 長程相互作用是由蒸氣介導(dǎo)的. 液滴的蒸發(fā)會產(chǎn)生蒸氣梯度(其中水的蒸氣壓比PG的蒸氣壓大100倍，因此主要的蒸氣是水)，2個相鄰的液滴各自處于另一個液滴產(chǎn)生的蒸氣梯度之中，如圖2所示[4]，蒸氣梯度的疊加會導(dǎo)致兩液滴之間部分的相對濕度增大，使得這部分空間內(nèi)的液滴蒸發(fā)相對較慢，而液滴相背的部分蒸發(fā)較快，破壞了對稱性. 蒸發(fā)量的減少導(dǎo)致薄膜中水分增加，引起局部的表面能增加，液滴周圍不對稱的表面產(chǎn)生網(wǎng)狀力，驅(qū)使液滴彼此靠近，這就是雙組分液滴在高能基底上能夠長程吸引的實(shí)質(zhì).

圖2 相距L的兩液滴的蒸氣梯度和蒸發(fā)示意圖

在短程范圍內(nèi)，2個相同體積分?jǐn)?shù)的液滴在接觸時(shí)相互融合，而具有足夠不同體積分?jǐn)?shù)的液滴可以存在很長的“追逐期”[5]，液體在液滴之間直接交換，流體交換導(dǎo)致2個液滴間有表面張力梯度和Marangoni流動，其中較低表面張力的液滴“追逐”較高表面張力的液滴，反過來又“逃離”了.

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 高能基底的制備

為了使液滴在載玻片上能呈現(xiàn)出長程和短程相互作用的現(xiàn)象，制作高能基底(比表面能大于0.1 J/m2)是最為關(guān)鍵的步驟，為此利用高壓電源等儀器搭建了簡易的尖端放電裝置，如圖3所示，在鐵架臺上固定簡易的尖端裝置作為正極放電，其中尖端裝置由鐵夾與細(xì)針組成(縫紉針，經(jīng)處理截?cái)嗪罅粝录s1.5 cm長)，二者以絕緣膠帶固定. 在鐵架臺下方放置絕緣平板，平板上放置直徑15 cm的銅板作為負(fù)極. 尖端與載玻片(放于銅片上)之間控制距離約8 mm，接通直流高壓放電裝置，電壓控制在約18 kV，處理70 s. 通過電暈放電(圖4)使載玻片成為高能基底，將不同濃度的小液滴滴在載玻片上，從而呈現(xiàn)液滴感知彼此并移動的現(xiàn)象，但是處理過的玻璃片只能在5 min內(nèi)使用才會有效.

圖3 簡易電暈裝置圖

圖4 電暈放電時(shí)效果

通過液滴形態(tài)可以判斷載玻片是否達(dá)到高能. 單個液滴在高能基底上的形態(tài)與低能基底不同，高能基底上的液滴周圍有1層薄膜，可以觀察到液滴更加擴(kuò)散且邊緣處明顯比中心淺.

2.2 液滴的“長程吸引”與“短程追逐”實(shí)驗(yàn)

采用蒸餾水、丙二醇(PG)、食品色素配出不同PG體積分?jǐn)?shù)的雙組分液滴,將0.5 μL、體積分?jǐn)?shù)為25%的PG液滴滴到電暈放電處理過的高能基底上，相距5 mm，靜置觀察現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，2個小液滴在高能表面上首先會相互靠近，2液滴移動速度基本相同，當(dāng)開始接觸后，2個液滴相互融合，最后形成1個大液滴. 因?yàn)樵诟吣芑咨弦旱尾]有直接接觸玻璃表面，而是位于薄膜上，未發(fā)生釘扎現(xiàn)象，這樣的長程相互作用主要是由于蒸氣介導(dǎo)的，觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同Cira等人提出的理論與實(shí)驗(yàn)都能很好地契合.

圖5 相同體積分?jǐn)?shù)的PG液滴相互作用

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)液滴的相互作用

將0.5 μL體積分?jǐn)?shù)分別為45%(藍(lán)色)和25%(綠色)PG液滴滴到高能基底上，相距5 mm，靜置觀察現(xiàn)象，如圖6所示，體積分?jǐn)?shù)相差較大的這2個液滴在高能表面上開始互相靠近即發(fā)生長程吸引，體積分?jǐn)?shù)高的速度較快，當(dāng)2個液滴互相接觸時(shí)，進(jìn)入短程追逐階段，體積分?jǐn)?shù)高的液滴開始“追逐”體積分?jǐn)?shù)低的液滴. 通過多次大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過改變2個液滴的體積分?jǐn)?shù)以及改變液滴體積能夠?qū)崿F(xiàn)4種不同類型的短程相互作用：

1)相同體積分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)十分相近，液滴融合，如圖5所示；

2)后面水滴是完整的追逐，如圖7(a)所示；

3)如果其中一種液滴有很高的體積分?jǐn)?shù)，它會形成細(xì)長的卷須，伸出去追趕另一個水滴，而不脫離后面的水滴，如圖7(b)所示；

4)體積分?jǐn)?shù)很高的液滴會分裂成2個大小不等的液滴，而較小的液滴則會繼續(xù)進(jìn)行追逐，如圖7(c)所示.

我們得到的短程相互作用的結(jié)果與Cira等人提出的理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都十分契合.

(a)完整的追逐

(b)延伸的追逐

(c)破碎的追逐圖7 不同形態(tài)的短程追逐[45%PG(藍(lán)色)， 25%PG(綠色)，5%PG(黃色)]

2.3 在限定區(qū)域內(nèi)液滴的“長程吸引”和“短程追逐”實(shí)驗(yàn)

用油性記號筆在載玻片上畫出同心圓軌道，通過電暈放電使載玻片變?yōu)楦吣芑祝瑢⒉煌w積分?jǐn)?shù)的0.5 μL雙組分液滴滴在載玻片上的軌道內(nèi)，其中綠色液滴的PG體積分?jǐn)?shù)為25%，藍(lán)色液滴的PG體積分?jǐn)?shù)為45%，直線距離相距3 mm，靜置觀察現(xiàn)象如圖8所示，可以看到液滴的相對運(yùn)動符合“短程追逐”的規(guī)律，即體積分?jǐn)?shù)大的藍(lán)色液滴追逐體積分?jǐn)?shù)小的綠色液滴，隨后藍(lán)色液滴分離出一小液滴進(jìn)行追逐，如圖8(c)所示，隨著時(shí)間的推移，藍(lán)色小液滴蒸發(fā)了，“追逐”過程結(jié)束. 絕對運(yùn)動受油性記號筆的軌道所限制，會沿軌道運(yùn)動. 由于液滴不消耗表面，它們不受先前軌跡的影響，并且能夠重復(fù)地在各自的道路上穿行，如果改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境保證適當(dāng)濕度，液滴發(fā)生持續(xù)“追逐”.

(a)

(b)

(c)

(d)圖8 限定區(qū)域內(nèi)的短程追逐

自制液滴自對準(zhǔn)器，用油性記號筆在載玻片上畫線，將液滴分隔在不同區(qū)域，通過電暈放電使載玻片變?yōu)楦吣芑?，然后將PG體積分?jǐn)?shù)為25%的雙組分液滴(1 μL)滴在分割區(qū)域內(nèi)，靜置觀察現(xiàn)象. 如圖9所示，液滴的相對運(yùn)動符合“長程吸引”的規(guī)律，但是絕對運(yùn)動受油性記號筆分割區(qū)域的限制. 對于這一裝置實(shí)驗(yàn)，僅觀察到經(jīng)過長程相互作用液滴逐漸變成直線的趨勢，還需要進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn).

(a)25%PG液滴開始滴到高能基底

(b)發(fā)生長程吸引后液滴逐漸變成1條直線圖9 液滴自對準(zhǔn)器

3 結(jié)束語

驗(yàn)證了液滴彼此感知并移動的現(xiàn)象，通過電暈放電方式制備了高能玻璃玻片，觀察相同體積分?jǐn)?shù)或不同體積分?jǐn)?shù)的液滴在無限定軌道和有限定軌道的運(yùn)動情況，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)為“長程吸引”和“短程追逐”. 本實(shí)驗(yàn)研究為創(chuàng)建自發(fā)傳感裝置和與此相關(guān)的設(shè)備能夠提供了思路. 以后還要繼續(xù)研究本實(shí)驗(yàn)的拓展與創(chuàng)新，重點(diǎn)深入研究在有限軌道限制下液滴的運(yùn)動.