固体表面液滴定向运动行为研究进展

摘要

液滴在固体表面定向运动极具研究价值,目前被广泛应用于水收集、油水分离、微流控、自清洁等领域,已成为表界面领域的研究热点.同时,液滴定向运动行为研究对理解液体与固体表面之间的作用机制具有重要意义.然而,目前对液滴定向运动的研究主要集中在宏观尺度观测与分析方面,缺乏对基本原理的深入探索,并且对实现液滴定向运动的基本条件认识不足.同时,人造仿生材料存在工艺复杂、成本高昂,以及运动距离相对较短、运动速度相对较小等缺点,限制了其适用范围.另外,虽然广大学者在液滴定向运动行为研究方面已经取得了较多成果,比如制得微型混合器、流体二极管等,但这些研究仅局限在实验室阶段,如何将其广泛应用于日常生活仍有待进一步研究.目前,学者们从液滴润湿性基本原理出发,发现仙人掌、猪笼草、瓶子草、蜘蛛丝、蝴蝶等天然材料表面可以实现液滴定向运动,其中,瓶子草绒毛表面液滴定向运动速度高达(11738±715)μm·s-1.在此基础上,广大学者通过静电纺丝、电化学腐蚀、光刻法、浸涂法等方式对仙人掌刺、猪笼草口缘、瓶子草绒毛、蜘蛛丝等做了进一步的仿生研究,其中仿蜘蛛丝实现了液滴的可逆运动和高效水收集.此外,受天然材料表面液滴定向运动启发,有学者研制了可实现液滴快速、长距离、方向可控运动的拓扑流体二极管,而结构简单的箭头状微结构更是为实际应用提供了可能.本文全面综述了近10年国内外学者在仙人掌、猪笼草、瓶子草、蜘蛛丝及蝴蝶等天然材料表面液滴定向运动行为方面的研究进展,从表面能梯度、Laplace压力梯度及毛细力等角度分析了固体表面液滴定向运动的基本原理,同时展示了国内外在仿生定向运动表面的典型研究实例.最后,对该领域未来的研究工作提出了一些建议.