潤(rùn)濕性表面液滴導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的研究進(jìn)展

盧志成，鄭佳宜，余延順

（南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 電子設(shè)備熱控制工業(yè)和 信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094）

液滴與固體表面之間的界面作用形式多種多樣，有碰撞、反彈、潤(rùn)濕等[1-2]。其中，液滴因界面特性、自重力或其他外力作用的引導(dǎo)，而沿著某一方向的運(yùn)動(dòng)被稱為“導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)”。這種現(xiàn)象在自然界十分普遍，如沙漠甲蟲(chóng)通過(guò)背部疏/親水表面捕水輸水[3-4]、豬籠草的多尺度結(jié)構(gòu)表面連續(xù)導(dǎo)向運(yùn)輸所需的水滴[5-7]、仙人掌莖上的霧收集系統(tǒng)[8-10]等。在沒(méi)有外部能量輸入下，大多數(shù)液滴的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)都是依靠固體表面的特性。因此，理解固體表面的特性對(duì)于實(shí)現(xiàn)液滴的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)是非常關(guān)鍵的。

潤(rùn)濕性是固液接觸界面的一個(gè)重要特性。它是固體表面從固-氣接觸界面向固-液接觸界面轉(zhuǎn)移的一種現(xiàn)象，是液滴可以在固體界面上鋪展的能力[11]。表面潤(rùn)濕性可用界面接觸角表征，如圖1 所示。液滴與潤(rùn)濕性表面接觸角＞150°，同時(shí)滾動(dòng)角＜10°，該表面即為超疏水表面；接觸角在90°～150°之間，即為疏水表面；接觸角＜90°，即為親水表面。超疏水表面由于其優(yōu)良的防水防污[12]、耐腐蝕[13]、抗結(jié)冰[14]、強(qiáng)化冷凝傳熱[15-16]等性能受到人們的青睞。微納米粗糙結(jié)構(gòu)和低表面能的構(gòu)造是超疏水表面制備的關(guān)鍵。隨著化工技術(shù)和微納米技術(shù)的發(fā)展，研究熱點(diǎn)正從單一的均勻潤(rùn)濕性表面向非均勻的特殊潤(rùn)濕表面轉(zhuǎn)移。最新研究表明，非均勻潤(rùn)濕表面對(duì)液滴存在“力矩”[17]，它能改變液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡即存在導(dǎo)向作用，而該特征與很多實(shí)際應(yīng)用相關(guān)。例如化學(xué)合成反應(yīng)中，不同種類流體會(huì)由于導(dǎo)向作用自發(fā)移動(dòng)合并[6]；在淡水收集領(lǐng)域，運(yùn)用表面的潤(rùn)濕性差異對(duì)液滴自發(fā)導(dǎo)向作用的物理性質(zhì)，為進(jìn)一步提高淡水收集運(yùn)輸效率提供了新思路[3-10]；在傳熱領(lǐng)域，換熱裝置的鋁、銅和不銹鋼具有天然親水性，這種親水性使這些材料難以有效排水，導(dǎo)致冷凝水滯留量增加。因此，在傳熱和空氣處理表面上的水滴管理和控制，對(duì)于系統(tǒng)的整體能效、功能維護(hù)有著至關(guān)重要的作用[18]。這些實(shí)際應(yīng)用涉及的液滴運(yùn)輸技術(shù)近年來(lái)取得了迅速的發(fā)展，尤其對(duì)于潤(rùn)濕性表面上的液滴運(yùn)輸技術(shù)。因此，有必要對(duì)潤(rùn)濕性表面上液滴導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的研究進(jìn)行綜述，歸納不同潤(rùn)濕性表面涉及的不同驅(qū)動(dòng)力對(duì)液滴導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的影響，從而便于對(duì)該過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制展開(kāi)更深入的研究。

圖1 具有不同接觸角的表面狀態(tài) Fig.1 Surface state with different contact angles: (a) superhydrophobic state, (b) hydrophobic state, (c) hydrophilic state

本文首先介紹關(guān)于液固接觸和液滴運(yùn)動(dòng)的基本理論，然后按不同的液滴運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，最后對(duì)各種液滴運(yùn)輸技術(shù)以及未來(lái)的研究和應(yīng)用方向進(jìn)行了總結(jié)與展望，提出了對(duì)潤(rùn)濕性表面上液滴做曲線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中深入到離心力、表面張力等力學(xué)特性的研究和耦合多外場(chǎng)結(jié)合固體潤(rùn)濕性表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)控制多液滴實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)向運(yùn)輸?shù)姆较颉?/p>

1 基本理論

1.1 液固接觸

潤(rùn)濕性和潤(rùn)濕過(guò)程與表面形態(tài)密切相關(guān)，液滴的形狀取決于固-液-氣三相界面[11]。如圖2a—c 所示，液滴在固體表面上的潤(rùn)濕行為可分別用Young 模型[19]、Wenzel 模型[20]、Cassie 模型[21]來(lái)描述。平衡接觸角用Young 方程描述為：

式中：θY是Young 模型的平衡接觸角，γsg、γsl、γlg分別是固-氣、固-液、液-氣界面張力。但是，Young模型里的固體表面是理想狀態(tài)下的均勻、光滑、無(wú)限平坦的剛性固體表面。

圖2 液滴在不同固體表面的潤(rùn)濕狀態(tài) Fig.2 Wetting state of droplets on different solid surfaces: (a) Young model; (b) Wenzel model; (c) Cassie model

在表面粗糙的情況下，Wenzel 模型和Cassie 模型的接觸角可分別用式(2)和式(3)表示。

式中：θw為Wenzel 表觀接觸角，r為粗糙表面的實(shí)際面積與表觀幾何面積之比，θc為Cassie 表觀接觸角，f為單位面積內(nèi)固-液界面接觸面積與實(shí)際表面積之比。

1.2 液滴運(yùn)動(dòng)

基于方程(1)—(3)，粗糙度可以增加表面的疏水性或親水性。因此，通過(guò)改變接觸界面的粗糙度，可以制備出表面無(wú)化學(xué)成分差異的非均勻潤(rùn)濕表面。它對(duì)液滴可產(chǎn)生界面不平衡力，一旦液滴前后所受界面力不能平衡，液滴就會(huì)向特定的方向運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)行導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，如圖3a、b 所示。該界面不平衡力即潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)力可結(jié)合式(1)推導(dǎo)得出[22]，可用式(4)表示。

式中：R是液滴與界面接觸的基半徑，θA和θB分別表示液滴在潤(rùn)濕梯度前后兩側(cè)的接觸角，φ表示圖3b 中顯示的極角。

圖3 液滴所受驅(qū)動(dòng)力 Fig.3 Driving force on droplet

在大多數(shù)情況下，由于表面的不均勻性，低黏度液滴的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到阻力的影響。由接觸角滯后（液滴前進(jìn)接觸角和后退接觸角之差）引起的阻力[23]可表示為：

式中：θadv和θres分別表示液滴的動(dòng)態(tài)前進(jìn)接觸角和后退接觸角。因此，較小的接觸角滯后更有利于液滴的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)。

針對(duì)非均勻潤(rùn)濕表面上液滴運(yùn)動(dòng)阻力的確定，部分學(xué)者有不同的觀點(diǎn)。根據(jù)局部滑移流體動(dòng)力邊界條件，阻力還可以寫(xiě)為[24]：

式中：λ為摩擦系數(shù)，A為潤(rùn)濕表面上液滴的總接觸面積，v為液體的運(yùn)動(dòng)速度。λ與液體的黏度密切相關(guān)，傳統(tǒng)定義為覆蓋整個(gè)固體表面的區(qū)域。對(duì)于非均勻潤(rùn)濕表面，液滴與固體表面相互作用的摩擦系數(shù)依賴于表面不一樣的潤(rùn)濕性，從而會(huì)對(duì)液滴產(chǎn)生不同的阻力效應(yīng)。

利用上述基本理論，可以從力學(xué)角度理解許多關(guān)于液滴導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。從理論角度深入理解這些現(xiàn)象，將有助于學(xué)者把研究成果應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)領(lǐng)域。

2 潤(rùn)濕梯度表面驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)

2.1 理論探索與數(shù)值研究

水滴在潤(rùn)濕梯度表面上會(huì)自發(fā)地向更易潤(rùn)濕（更親水）的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。此液滴運(yùn)動(dòng)機(jī)制最早由Greenspan[25]和Brochard[26]提出，并通過(guò)各自的假設(shè)條件和簡(jiǎn)化模型，得出潤(rùn)濕梯度表面上液滴運(yùn)動(dòng)的速度。事實(shí)上，預(yù)測(cè)液滴在潤(rùn)濕梯度表面上的運(yùn)動(dòng)速度是該領(lǐng)域理論探索的重要內(nèi)容。早期的探索一般基于潤(rùn)滑理論結(jié)合固液接觸線和接觸角來(lái)分析液滴運(yùn)動(dòng)，后來(lái)理論研究逐漸側(cè)重到宏觀的力學(xué)特性，如Subramanian[22]基于楔形液滴形狀和潤(rùn)滑理論的兩種近似方法，獲得液滴在潤(rùn)濕梯度表面運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力和阻力，由此推導(dǎo)得到液滴的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)速度。潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)力歸根結(jié)底源于表面能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，因此也可從能量角度研究液滴運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性。Liu[24]建立的統(tǒng)一理論力學(xué)模型中，驅(qū)動(dòng)力正是由表面能公式和Young 方程推導(dǎo)得出。除此之外，Liu 還采用分子動(dòng)力學(xué)模擬分析水滴的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡，驗(yàn)證建立的力學(xué)模型。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)數(shù)值模擬軟件的日趨成熟，液滴在潤(rùn)濕梯度表面上導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的數(shù)值研究逐漸興起。由于其高效率、低成本，且能獲得直觀細(xì)致、準(zhǔn)確有效的結(jié)果，能有效補(bǔ)充理論與實(shí)驗(yàn)研究，所以越來(lái)越獲得學(xué)者認(rèn)可。潤(rùn)濕梯度表面上的液滴運(yùn)動(dòng)涉及流體流動(dòng)方面的兩相流問(wèn)題，即空氣-水的氣液兩相流。除上述分子動(dòng)力學(xué)方法[24,34]，常見(jiàn)的解決兩相流問(wèn)題的數(shù)值方法還有Lattice Boltzmann（LBM）[27,29-30,33]、流體體積（VOF）[32]、水平集（Level- set）[31]、相場(chǎng)[28,34]等。它們?cè)谔幚砦锢砟Ｐ?、兩相界面追蹤和求解?jì)算等方面各有利弊。這些方法都已被學(xué)者用于解決潤(rùn)濕梯度表面上液滴運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，而且已經(jīng)獲得了不少成果[27-34]。他們的研究熱點(diǎn)集中于液滴尺寸[30,34]、液滴組分[28]、液滴初始位置[27]、液滴黏性[29,32]、表面潤(rùn)濕梯度[24,27-34]、表面接觸角滯后[29]、表面取向[33]等，相關(guān)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展列于表1 中。

表1 潤(rùn)濕梯度表面液滴運(yùn)動(dòng)的數(shù)值研究進(jìn)展 Tab.1 Numerical research progress of droplet movement on surface with wettability gradient (WG)

從表1 可以明顯看出，LBM 方法最常被學(xué)者用于分析潤(rùn)濕梯度表面的液滴運(yùn)動(dòng)。另外，綜合表1 來(lái)看，對(duì)固體表面而言，較大的表面潤(rùn)濕梯度、較小的接觸角滯后，更有利于液滴的導(dǎo)向運(yùn)輸；對(duì)液滴而言，較小的液滴黏性和較大的液滴彈性，更容易使自身在固體表面上快速運(yùn)動(dòng)。因此，發(fā)展?jié)櫇裉荻缺砻骝?qū)動(dòng)液滴導(dǎo)向運(yùn)輸技術(shù)的關(guān)鍵在于高梯度、低接觸角滯后固體表面的制備，這也對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究人員提出了更高的要求。事實(shí)上，就潤(rùn)濕梯度表面的制備和在該表面上的液滴運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)來(lái)講，學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了很多探究，并取得了一些進(jìn)展[35-42]。

2.2 表面制備及液滴運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)研究

如前所述，微納米粗糙結(jié)構(gòu)以及低表面能的構(gòu)造是超疏水表面制備的關(guān)鍵，其實(shí)不僅僅是超疏水表面，潤(rùn)濕梯度表面的制備也依賴于表面粗糙度和表面能。表面粗糙度涉及固體物性和微尺度結(jié)構(gòu)特性。先前，Wenzel[20]和Cassie[21]對(duì)粗糙度改變液滴表面接觸角進(jìn)行了基本理論的探究。在本身具有高表面能性質(zhì)的材料表面修飾低表面能物質(zhì)能顯著提高疏水性。大多潤(rùn)濕梯度表面的制備方法都是結(jié)合表面粗糙度和表面能構(gòu)造出非均勻潤(rùn)濕性的表面，如Malouin 等[43]通過(guò)改變基底表面硅微柱陣列的孔隙度來(lái)改變表面粗糙度，然后在微柱陣列表面涂覆一層薄的氟化鈍化層，就得到具有非均勻潤(rùn)濕性的表面。這些表面微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和表面改性的方法，包括化學(xué)氣相沉積 法[35-37,42]、離子刻蝕法[40-41]、激光刻蝕法[40-41]、電化學(xué)法[38-39]等。

對(duì)于制備出的表面上的液滴導(dǎo)向運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)，最早由Chaudhury 等[35]首次在潤(rùn)濕梯度表面上實(shí)驗(yàn)觀察到液滴運(yùn)輸現(xiàn)象。在液滴運(yùn)輸過(guò)程中，速度、位移[35-37,39-41]等參數(shù)的獲得是分析液滴動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)，綜合已有的實(shí)驗(yàn)速度測(cè)量值[35-37,40]，液滴在潤(rùn)濕梯度表面上的導(dǎo)向運(yùn)輸速度大概為幾十毫米每秒。這些宏觀參數(shù)對(duì)深入研究潤(rùn)濕梯度表面上液滴運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性（如驅(qū)動(dòng)力、阻力）有重要參考意義，同時(shí)可以驗(yàn)證數(shù)值研究中得到的關(guān)于力學(xué)特性的結(jié)論。跟數(shù)值模擬的研究?jī)?nèi)容相似，表面粗糙度和表面能構(gòu)造的潤(rùn)濕梯度值[35-42]也是實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)，其他如液滴尺寸[37]、液滴與表面黏性[35,41-42]、表面傾角[35,37]等相繼被學(xué)者的研究涉及。表2 即為歸納的表面制備及液滴運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。

表2 潤(rùn)濕梯度表面液滴運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展 Tab.2 Experiment research progress of droplet movement on surface with wettability gradient (WG)

與理論及數(shù)值研究部分的結(jié)論相對(duì)應(yīng)，液滴在高梯度、低接觸角滯后的表面上更容易實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)。顯然，高性能表面的制備對(duì)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展尤為重要。結(jié)合表2 看，液滴在潤(rùn)濕梯度表面上最大的運(yùn)動(dòng)速度只達(dá)到75 mm/s[40]，而且潤(rùn)濕梯度表面存在潤(rùn)濕性范圍瓶頸，最大潤(rùn)濕性跨度為0°～180°，這對(duì)液滴的運(yùn)動(dòng)距離存在巨大限制。因此，潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)的液滴運(yùn)輸在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用性并不是很強(qiáng)。綜上所述，開(kāi)發(fā)自發(fā)、快速、長(zhǎng)距離液滴運(yùn)輸?shù)尿?qū)動(dòng)機(jī)制仍是接下來(lái)需要思考的重要課題。

3 超疏水基底異性軌道表面上重力驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)

3.1 表面制備及液滴運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)研究

超疏水基底異性軌道表面是指在具有超疏水潤(rùn)濕性的基底上，通過(guò)物理或化學(xué)方法刻出疏水或親水導(dǎo)向軌道的表面。液滴由于受表面異性的范德華力作用，可以在自重力驅(qū)動(dòng)下沿在超疏水基底設(shè)計(jì)的異性軌道作導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)。稻葉上的水珠沿著葉莖線滾落[44]，還有前文提到的沙漠甲蟲(chóng)[3－4]、豬籠草[5-7]、仙人掌莖[8-10]等，都是大自然中應(yīng)用該原理的成功范例。這種生物啟發(fā)的液滴運(yùn)輸技術(shù)受到很多學(xué)者關(guān)注。具體到科學(xué)研究中，超疏水基底的制備大多采用的是構(gòu)造微納米粗糙結(jié)構(gòu)和涂覆低表面能物質(zhì)結(jié)合的方法。但制備出的表面穩(wěn)定性與時(shí)效性一直是困擾學(xué)界的難題。最新提出的去耦合機(jī)制將表面浸潤(rùn)性和機(jī)械穩(wěn)定性拆分至兩種不同的結(jié)構(gòu)尺度，通過(guò)在兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺度上分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為超疏水表面創(chuàng)造出具有優(yōu)良機(jī)械穩(wěn)定性的微結(jié)構(gòu)表面，解決了超疏水表面機(jī)械穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵問(wèn)題[45]。高性能超疏水基底是實(shí)驗(yàn)研究該課題的基礎(chǔ)，另一方面，異性軌道的制備對(duì)液滴的受控導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)更加關(guān)鍵，目前常見(jiàn)的制備方法包括銑削[48,50]、印刷[49]、電化學(xué)蝕刻和光刻[47,51-52]等。

液滴在制備出的超疏水基底異性軌道表面上能否沿路徑線實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的驗(yàn)證。Xu 等[46]首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了水滴在超疏水基底異性路徑線上的導(dǎo)向運(yùn)輸，當(dāng)圖案化的超疏水表面的傾斜角度和水滴的體積對(duì)應(yīng)時(shí)，水滴的滑動(dòng)精確地遵循路徑線。除表面傾角和液滴尺寸外，軌道寬度[47-48,50-51,53]也是影響液滴在表面運(yùn)動(dòng)的重要因素。表3 列出了超疏水基底異性軌道表面上液滴運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。部分學(xué)者在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)接到實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試，如Mertaniemi 等[48]將兩個(gè)液滴在兩條軌道的交叉點(diǎn)混合，為生物危險(xiǎn)微流體的混合研究提供了指導(dǎo)方向；Yang 等[50]制造平行且變窄的雙軌親水軌道，用于控制微流控芯片上液滴的運(yùn)輸、混合、捕獲和釋放。

表3 超疏水基底異性軌道表面上液滴運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展 Tab.3 Experiment research progress of droplet movement on superhydrophobic substrate with anisotropic track

液滴在超疏水基底異性軌道表面上的受控運(yùn)動(dòng)主要受軌道寬度[47-48,50-51,53,55]、軌道性質(zhì)[46-55]、自身尺寸[46-47,51,53-55]、自身表面張力[49]、表面傾角[49,54]和表面滑動(dòng)角[47,50-51,53]的影響。綜合表3 的研究進(jìn)展，異性軌道以低粘附性的疏水軌道為主，低表面張力液滴在軌道的導(dǎo)向運(yùn)輸效率相對(duì)較高，軌道寬度與液滴尺寸、表面傾角相互聯(lián)系。與潤(rùn)濕梯度表面上的液滴導(dǎo)向運(yùn)輸效率相比，異性軌道表面上的受控導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)速度明顯上升一個(gè)量級(jí)，沿整段軌道的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到14 cm/s[48]。所以，該研究對(duì)霧收集、微流控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有實(shí)用意義。研究人員在此基礎(chǔ)上也確實(shí)已經(jīng)取得一些面向應(yīng)用的成果[6,48,50,57,59-67]。

3.2 相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

微流控是一種精確控制微尺度流體，尤其特指亞微米流體的技術(shù)。應(yīng)用到微流體生物芯片，它可以幫助生物學(xué)家創(chuàng)造可控的醫(yī)學(xué)檢測(cè)平臺(tái)和化學(xué)合成平臺(tái)。

醫(yī)學(xué)檢測(cè)包括病毒檢測(cè)，尤其是最近，病毒的肆虐一直威脅著全球人類的健康?？孜牡萚56]以甲型H1N1 流感病毒檢測(cè)為例，基于微流控等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)建立了一種簡(jiǎn)便、快速的流感病毒檢測(cè)方法，為呼吸道傳染病疫情防控提供技術(shù)指導(dǎo)。具體到潤(rùn)濕性表面在微流控的應(yīng)用，除上述Mertaniemi 等[48]和Yang等[50]涉及的微流控應(yīng)用研究，嚴(yán)春芳等[57]制備具有親疏水圖案化的微流控紙芯片，將制得的紙芯片用于人體全血中血糖含量的測(cè)定，線性范圍為 1.7～ 17.7 mmol/L，可滿足血液樣品中血糖的測(cè)定。該技術(shù)能有效避免等離子體氣滲漏所造成的親水通道擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)模具圖形向?yàn)V紙的高精度轉(zhuǎn)移。Shang 等[6]通過(guò)鐵流體組裝模板法，在人工豬籠草骨膜表面制備了微流體器件。該裝置為Y 形，帶有兩個(gè)臂通道和一個(gè)用于合成反應(yīng)的長(zhǎng)通道。高錳酸鉀和抗壞血酸的水溶液分別在兩個(gè)臂通道上釋放，由于在生物啟發(fā)通道上的導(dǎo)向運(yùn)輸，兩種流體在長(zhǎng)通道中匯聚，顏色消失則表明反應(yīng)完成。

淡水對(duì)維持人類健康至關(guān)重要。世界上三分之二的地區(qū)正經(jīng)歷水資源短缺，特別是半干旱和干旱地區(qū)。淡水資源匱乏正成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約，而大氣中的霧水約占地球上所有淡水資源的10%[58]。超疏水基底上異性軌道圖案表面應(yīng)用到霧收集領(lǐng)域中的研究，近年來(lái)獲得豐富的成果[59-63]。

Wu 等[59]設(shè)計(jì)了一條直線的超親水軌道，該軌道在超疏水表面上具有高對(duì)比度和定向潤(rùn)濕性。盡管液滴在平行于軌道的方向上更容易滑動(dòng)，但由于混合液滴的堆積面積較大，因此這種帶狀軌道表面在垂直于軌道的方向上具有更高的霧收集效率。作者還研究了軌道寬度和間距對(duì)霧收集效率的影響。所有各向異性表面中，軌道寬度和間距分別為300 μm 和3000 μm的表面，表現(xiàn)出最大約26%的效率差異，表明該表面霧收集性能最佳。超疏水基底上親水軌道的粘附性是運(yùn)輸所收集的水滴不得不考慮的影響因素。所以，注入潤(rùn)滑劑的疏水軌道[60]和“親水不沾水”的定向光滑粗糙表面[61]可用于進(jìn)一步的高效集輸水。

除直流型軌道外，圖案化軌道表面也存在對(duì)霧收集性能的影響。霧收集試驗(yàn)表明，具有楔形圖案的表面具有較高的集水效率[62]，這是由于液體內(nèi)部Laplace壓力梯度與接觸角滯后對(duì)比，楔形軌道上的水滴更易于收縮和分離。

開(kāi)發(fā)新型材料表面膜也可以顯著提高集水能力。Wu 等[63]研究了一種新型疏水/親水定向芯吸納米纖維膜。與相同結(jié)構(gòu)和尺寸的疏水/親水膜相比，定向芯吸纖維膜具有更高的集水能力。孔隙結(jié)構(gòu)和尺寸都會(huì)影響集水效率，疏水層和親水層之間孔隙尺寸的變化可導(dǎo)致集水能力相差1.7 倍，疏水層中較大的孔隙和超親水層中較小的孔隙，更有助于將水從疏水面吸到超親水面。

換熱器在許多工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，它的性能優(yōu)劣對(duì)于能源系統(tǒng)的整體能效和經(jīng)濟(jì)成本非常重要。如前所述，常用的鋁、銅和不銹鋼等換熱器材料，由于具有天然親水性，難以有效排除換熱表面的冷凝液滴，而潤(rùn)濕異性軌道圖案表面對(duì)加強(qiáng)冷凝換熱有很大的應(yīng)用意義。

Alwazzan 等[64]在銅管表面構(gòu)造疏水性不同的條紋圖案，疏水性較強(qiáng)的基底區(qū)域具有快速的液滴流動(dòng)性，疏水性較弱的條紋軌道區(qū)域能使液滴沿路徑線導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)。在最佳寬度比下，該表面的傳熱性能比膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)分別高480%和180%。除了平行的潤(rùn)濕異性條紋軌道圖案表面，其他如倒V 形疏-親水軌道圖案表面[65]、楔形軌道圖案表面[66]、疏水基底圓形親水圖案表面[67]、樹(shù)狀疏-親水軌道圖案表面[67]等被學(xué)者相繼研究，用以加強(qiáng)冷凝換熱。

液滴在潤(rùn)濕異性軌道表面受重力的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，盡管在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、淡水收集、換熱器等領(lǐng)域的應(yīng)用已獲得豐富的成果，但固定的驅(qū)動(dòng)機(jī)制限制了液滴導(dǎo)向運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)一步發(fā)展，而且表面潤(rùn)濕異性軌道的結(jié)構(gòu)使液滴的導(dǎo)向路徑受限。所以，如何提高液滴導(dǎo)向運(yùn)輸?shù)目刹倏v性和智能性是該課題面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 超疏水表面上外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)

4.1 光、電、熱、磁誘導(dǎo)驅(qū)動(dòng)

無(wú)論是通過(guò)固體表面潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)液滴，還是通過(guò)自重力使液滴在異性受限軌道上運(yùn)動(dòng)，它們都存在一個(gè)共同的問(wèn)題，即缺乏可操縱性和智能性。利用液滴對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，因而研究人員在利用光、電、熱和磁外場(chǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)可操縱化和智能化的液滴導(dǎo)向運(yùn)輸作出了巨大努力[68-99]。

光并不能直接給固體表面上的液滴提供驅(qū)動(dòng)力。但是，來(lái)自光照射的能量能被固體表面的特殊光響應(yīng)分子吸收，從而改變表面特性。Ichimura[68]首次發(fā)現(xiàn)由于偶氮苯的光異構(gòu)化，不對(duì)稱的光輻射會(huì)導(dǎo)致表面能出現(xiàn)梯度，從而能實(shí)現(xiàn)液滴的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，改變光強(qiáng)度梯度的陡度及方向，還可以調(diào)整運(yùn)動(dòng)的速度及方向。在此基礎(chǔ)上，類似的偶氮苯光敏聚合物材料表面上的液滴運(yùn)輸被學(xué)者相繼發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了纖維光控集水[69]、液滴混合[70-71]、多梯度表面混合驅(qū)動(dòng)[72]、紫外線響應(yīng)的智能化可編程液滴[73]等。光不但能被特殊光敏聚合物吸收響應(yīng)，而且能引起熱響應(yīng)。由于光的外部刺激，納米結(jié)構(gòu)表面會(huì)出現(xiàn)不均勻的熱膨脹，導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)表面傾斜，從而驅(qū)動(dòng)液滴沿著預(yù)設(shè)軌道導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)[74]。液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，表面的釘扎阻力一直是制約液滴運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。管狀光驅(qū)動(dòng)的液晶聚合物系統(tǒng)[71]突破了這個(gè)難題，擺脫了接觸線釘扎阻力的影響。該系統(tǒng)可以引起不對(duì)稱的液滴形態(tài)，通過(guò)毛細(xì)作用力可逆地操縱液滴，并且實(shí)驗(yàn)表明可以通過(guò)各種形狀的微致動(dòng)器混合多相液體（直線形、Y 形、蛇形和螺旋形）。

電對(duì)液滴作用的研究由來(lái)已久。Lippmann[75]首次觀察到電毛細(xì)上升現(xiàn)象。Beni 等[76]首次提出電潤(rùn)濕的概念。電潤(rùn)濕（Electrowetting，EW）是指通過(guò)改變液滴與絕緣基板之間的電壓來(lái)改變液滴在基板上的潤(rùn)濕性，即改變接觸角，使液滴發(fā)生形變、位移的現(xiàn)象。電潤(rùn)濕作為一種微流體現(xiàn)象，已經(jīng)廣泛被用作各種流體及電光設(shè)備的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。隨著超疏水材料研究的不斷完善[45,77]，基于超疏水表面的新型電控液滴技術(shù)[78]引起了學(xué)者廣泛關(guān)注。這些技術(shù)包括電暈放電驅(qū)動(dòng)介電液滴[79]、“全能型”靜電操縱液滴[80]、電場(chǎng)梯度驅(qū)動(dòng)液滴[81]以及表面電荷密度梯度驅(qū)動(dòng)液滴[82]。其中，表面電荷密度梯度驅(qū)動(dòng)液滴的新型機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)額外能量輸入情況下液滴的長(zhǎng)距離、高速運(yùn)輸。Sun 等[82]通過(guò)液體接觸操控表面電荷，將一串液滴滴向超雙疏表面，液滴撞擊到表面時(shí)，會(huì)立刻擴(kuò)散、收縮并彈回。這導(dǎo)致電子從液滴中分離出來(lái)，并使受到撞擊的表面區(qū)域帶負(fù)電荷。通過(guò)調(diào)節(jié)液滴的撞擊高度，表面電荷密度會(huì)發(fā)生變化，所以形成電荷密度梯度。隨后，將液滴再次放到超雙疏表面時(shí)，表面電荷密度梯度會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力作用，推動(dòng)液滴向高電荷密度方向移動(dòng)。這種新型機(jī)制有望用于開(kāi)發(fā)新的微流控和傳感系統(tǒng)。

水滴滴在溫度高于Leidenfrost 點(diǎn)的固體表面會(huì)完全懸浮，呈現(xiàn)“完全超疏水狀態(tài)”，這就是著名的Leidenfrost 效應(yīng)。水滴與表面之間的薄蒸汽層在液滴運(yùn)動(dòng)中起主要作用。在固體表面使用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)能推動(dòng)懸浮液滴自發(fā)運(yùn)動(dòng)。Linke 等[83]首次報(bào)道了毫米級(jí)棘輪上的Leidenfrost 液滴可以自發(fā)地向與傾斜棘輪相反的方向推進(jìn)。以棘輪結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，更多的改進(jìn)棘輪結(jié)構(gòu)，如棘輪復(fù)合薄膜[84]、表面形貌連續(xù)變化的棘輪[85]、雙尺度棘輪[86]等，被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，用于優(yōu)化Leidenfrost 液滴的自推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。此外，液滴停滯溫度閾值[87]、初始液滴大小和棘輪縱橫比[88]等參數(shù)也被相繼研究，為進(jìn)一步優(yōu)化棘輪結(jié)構(gòu)上的Leidenfrost液滴運(yùn)動(dòng)提供了詳細(xì)數(shù)據(jù)參考。除棘輪結(jié)構(gòu)外，還有學(xué)者利用前述的潤(rùn)濕梯度對(duì)熱表面的液滴產(chǎn)生非對(duì)稱作用力[89-90]，液滴會(huì)傾向于朝著微柱密度更小的區(qū)域自推進(jìn)，進(jìn)一步豐富了Leidenfrost 液滴操控技術(shù)。

關(guān)于液滴運(yùn)輸?shù)乃序?qū)動(dòng)方式中，磁場(chǎng)由于其易操作、低能耗而吸引了越來(lái)越多研究人員的注意。早期的磁控液滴技術(shù)是通過(guò)在液滴中加入磁性物質(zhì)，在磁場(chǎng)作用下，磁性液滴被吸引而運(yùn)動(dòng)[91-94]。這種改變液滴組分的磁控傳輸技術(shù)在各種應(yīng)用中存在局限性。新興的磁控液滴技術(shù)規(guī)避了液滴組分的改變，通過(guò)在基底表面固定磁性物質(zhì)，然后施加磁場(chǎng)使液滴周圍表面發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)液滴的受控運(yùn)輸。這種磁響應(yīng)表面可分為三類[95]，即磁性可彎曲微結(jié)構(gòu)表面[96-97]、可切換形貌表面[98]和注入鐵磁流體表面[99]。表面的磁性微柱在磁場(chǎng)吸引下，會(huì)發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致表面的潤(rùn)濕性發(fā)生變化。Lin 等[96]基于此原理，發(fā)現(xiàn)了一種動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性的超疏水磁性微柱陣列，其具有磁感應(yīng)傾角動(dòng)態(tài)變化的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴導(dǎo)向輸運(yùn)的有效控制。液滴周圍表面地形的變化會(huì)直接作用于液滴。Damodara 等[98]發(fā)現(xiàn)了在PDMS-鐵顆粒復(fù)合基底的超疏水表面上的水滴受控運(yùn)動(dòng)，由于作用在鐵顆粒上的磁力，液滴周圍的表面輪廓發(fā)生變化，從而驅(qū)動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)。相比于高強(qiáng)度磁場(chǎng)作用于表面結(jié)構(gòu)，鐵磁流體表面所要求的磁場(chǎng)強(qiáng)度低得多[95]。鐵磁流體是懸浮在油或水中的鐵磁性顆粒（～10 nm）在磁場(chǎng)作用時(shí)強(qiáng)烈極化的液體。最近的研究中，Mandal 等[99]報(bào)道了磁場(chǎng)作用下油基鐵磁流體尖峰上水滴的傳輸，分析了液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的三種力和影響因素。

4.2 各種液滴運(yùn)輸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

就光、電、熱和磁四種外場(chǎng)誘導(dǎo)的液滴導(dǎo)向運(yùn)輸而言，光控技術(shù)比較容易控制且安全性較高，但是需要特殊儀器才能產(chǎn)生特定波長(zhǎng)且具備響應(yīng)性的光，如紫外線。外加電場(chǎng)安全系數(shù)低，新型電控液滴技術(shù)高效智能，可編程液滴有望進(jìn)一步應(yīng)用于微流控、微反應(yīng)器、防冰防霜等領(lǐng)域。熱控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式較簡(jiǎn)單，本質(zhì)上依賴于表面的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，然而工業(yè)領(lǐng)域中的很多基材不具備耐高溫屬性。磁場(chǎng)安全、可無(wú)損操控，響應(yīng)性也很強(qiáng)，但通常需要磁性材料來(lái)輔助操縱液體。

對(duì)比潤(rùn)濕梯度和異性軌道表面的液滴運(yùn)輸技術(shù)，光、電、磁誘導(dǎo)的液滴運(yùn)輸可控性更強(qiáng)，液滴運(yùn)動(dòng)的方向并不受表面結(jié)構(gòu)限制。但是，宏觀外場(chǎng)不能局限某一小型區(qū)域，所以對(duì)于多液滴的操縱，如果液滴之間的間距太小，多液滴之間會(huì)相互影響。因此，結(jié)合固體表面的潤(rùn)濕梯度和異性軌道，設(shè)計(jì)出“高分辨率”的多液滴導(dǎo)向運(yùn)輸系統(tǒng)，是未來(lái)值得深入研究的方向之一。

5 總結(jié)與展望

本文介紹了液固接觸和液滴運(yùn)動(dòng)的基本理論，還總結(jié)了液滴在不同潤(rùn)濕性表面上導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制。本文不但介紹最具代表性的研究工作，而且指出不同部分仍存在的挑戰(zhàn)。液滴驅(qū)動(dòng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)一直是液滴導(dǎo)向運(yùn)輸研究中的關(guān)鍵。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)會(huì)有更多的驅(qū)動(dòng)機(jī)制被發(fā)現(xiàn)。

無(wú)論驅(qū)動(dòng)機(jī)制未來(lái)如何變化，液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中本質(zhì)上的力學(xué)機(jī)制一直不變，目前大多數(shù)研究側(cè)重于驅(qū)動(dòng)力、阻力等常見(jiàn)的力學(xué)特性，而對(duì)更復(fù)雜的液滴運(yùn)動(dòng)（如曲線運(yùn)動(dòng)）過(guò)程中涉及到的其他力（如離心力、表面張力等）鮮有研究。這些往往會(huì)影響到液滴導(dǎo)向運(yùn)輸?shù)目煽匦浴?/p>

為提高液滴導(dǎo)向運(yùn)輸?shù)目煽匦裕ǔＰ枰旱螌?duì)外場(chǎng)的響應(yīng)。最常見(jiàn)的方法是本文提到的四種方法：光、電、熱和磁。在不使用外場(chǎng)的情況下，則需要通過(guò)表面的形態(tài)或化學(xué)組成等特性來(lái)控制液體，如潤(rùn)濕梯度和異性軌道等。所以，耦合多種外場(chǎng)結(jié)合固體表面的設(shè)計(jì)來(lái)控制單液滴或多液滴的運(yùn)輸，是未來(lái)極具吸引力的研究方向。

科學(xué)研究的意義在于為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。盡管學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了液體導(dǎo)向運(yùn)輸?shù)哪承?yīng)用，例如集水、微流控等，但它們?nèi)蕴幱趯?shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)研究階段，如何對(duì)接工業(yè)領(lǐng)域是至關(guān)重要的問(wèn)題。對(duì)此問(wèn)題最大的挑戰(zhàn)在于液滴速度的智能化控制和潤(rùn)濕性固體表面的量產(chǎn)化制備。在集水領(lǐng)域，優(yōu)化材料表面對(duì)液滴的功能化作用有限，集水效率存在瓶頸，且實(shí)驗(yàn)室的可操縱性與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的可操縱性有很大差距，所以難以真正在缺水地區(qū)大規(guī)模普及。為克服集水效率低的問(wèn)題，可以考慮采用外場(chǎng)作用來(lái)提高液滴的運(yùn)輸效率，同時(shí)開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)外場(chǎng)響應(yīng)的應(yīng)用程序來(lái)提高可控性與智能性。在微流控領(lǐng)域，傳統(tǒng)的封閉式微流體系統(tǒng)采取壓力、電滲等驅(qū)動(dòng)方式，系統(tǒng)中微滴控制的精準(zhǔn)性有待提高，而開(kāi)放式微流控系統(tǒng)中的微流體具有較小的運(yùn)輸阻力和較高的可控性，但驅(qū)動(dòng)機(jī)制的問(wèn)題限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。同樣地，運(yùn)用外場(chǎng)對(duì)表面或液滴的響應(yīng)性結(jié)合表面潤(rùn)濕性設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的解決方法。