可控润湿性无机纳米结构表面的制备、表征及液滴在其表面上的运动行为

摘要

近年来,随着表面科学以及微流体运动技术的发展,新型表面能材料上润湿性的可控制备越来越受关注。无机纳米结构材料凭借其优良的热、化学以及机械稳定性能,对可控润湿性表面的制备具有潜在的应用价值。本论文利用光强可控照射法以及选择性修饰法在无机材料表面上构造出多种润湿性能,并对微流体在这种表面上的运动特性进行了探讨。
　　 基于ZnO纳米结构对紫外光独特的敏感性,我们通过调节表面对紫外光的吸收强度,制备出润湿性从超疏水逐渐变化到超亲水的ZnO梯度润湿性表面。对材料表面进行SEM、XRD以及CA等方面的表征,确定了表面梯度润湿性的构造,并观察了微液滴在这种梯度润湿性表面上的铺展行为,提出润湿机理。此外,由于梯度润湿性表面上表面张力的不平衡,使得Cu(NO3)2大液滴在表面静止时为不对称球冠形,对液滴热处理后,产物CuO晶体的形貌发生了连续变化。
　　 通过紫外光选择性照射法,在ZnO纳米结构材料上构造出图案化润湿性表面。观察了微液滴在超疏/超亲水图案化表面以及界面处的流体运动特性。发现无论表面水平、倾斜还是竖直放置时,流体总是避开表面能较低的超疏水区域而流向表面能较高的超亲水区域。机理研究表明,微流体的这种奇异运动行为主要与超疏/超亲水界面处的的表面张力差异有关。
　　 利用流体在超疏/超亲水表面上的运动特性,观察两个液滴在超疏/亲水表面材料上的相对运动及快速融合行为。结果表明两个液滴在接触瞬间释放出巨大的界面能从而发生微弱的振荡。为此,我们将其应用在一些特殊的化学反应过程中,发现当Cu(NO3)2和NH3·H2O两种液滴融合后,经过热处理,所得产物具有不同的形貌；HCI和NaOH由于反应自身放热加上界面能的释放使反应生成的水瞬间气化；HCI和Na2CO3融合过程中只有在HCI液滴所在的那一侧有CO2气体生成。这种液滴在特殊润湿性表面上的快速融合行为将对微化学反应器的设计制备提供有价值的参考。