液滴操控在生物化學、細胞培養和能源采集與利用等領域有著廣泛的應用。盡管單獨或協同作用的磁場、光場、電場或熱能量梯度可以實現液滴的操控，然而這些依賴外部能量輸入的方法，在液滴運動行為、液滴損耗和操控環境等方面的可控性相對較差，且它們需要高度復雜的驅動技術和裝置。基于潤濕性差異的圖案化表面可實現常溫下液滴的彈跳、運輸等操控，但在寬泛溫度范圍內的液滴可控操控仍然是一個巨大的挑戰。在寬泛溫度范圍內的液滴可控蒸發、彈跳及運輸在微電子散熱、藥物篩選及分離、噴墨打印和高溫微流控系統等領域具有重要的應用前景。

近期，湖南大學機械運載與工程學院、國家高效磨削工程技術研究中心的舒成松博士（第一作者）、蘇其通、李明浩、汪振斌、尹韶輝教授和黃帥副教授（通訊作者）在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上共同發表題為《用于寬泛溫度范圍內液滴操控的極端潤濕性表面》（Fabrication of extreme wettability surface for controllable droplet manipulation over a wide temperature range）的研究文章，報道了一種通過電化學掩模蝕刻和微細銑削復合工藝，在鋁表面高效穩定制造極端潤濕性表面的方法（圖1）。通過實驗和模擬研究了不同溫度下極端濕潤表面的熱耦合特性、蒸發機理和液滴運輸機制。研究表明，液滴在超疏水和親水表面呈現不同的蒸發模式，通過控制親水圖案的幾何形狀可以實現液滴在不同圖案上的可控蒸發。控制基底潤濕性差異、液滴與親水表面的接觸面積和基底溫度可實現液滴的可控彈跳。在Laplace壓力差和溫度梯度驅動下，可實現液滴的分離、匯合和抗重力運輸。

圖1 極端潤濕性表面的制備過程。Step I：經掩膜電化學刻蝕和FAS改性后制備的超疏水表面S1和超疏水-親水的潤濕性差異表面S2；Step II：在超疏水鋁表面通過定域微銑制備超疏水-親水潤濕性差異圖案化表面；Step III：通過二次掩膜電化學刻蝕在超疏水鋁表面制備超疏水-超親水極端潤濕性表面。

液滴可控蒸發

數值模擬表明液滴在超疏水表面上的蒸發過程呈恒接觸角（CCA）蒸發模式，主要是因為液滴蒸發時，在熱量從基底底部向上部傳輸的過程中，液滴表面不同位置存在的溫度差異引起表面張力梯度，造成的馬蘭戈尼流動和內部自然對流綜合效應導致液滴內部形成兩個環流單元。而液滴在親水表面上呈現出恒接觸半徑（CCR）接觸模式（圖2）。

圖2 （a-b）分別為3s時超疏水鋁表面上液滴的溫度、流線和速度的耦合場；（c-d）3s時，親水鋁表面的溫度、流線和液滴速度的耦合場；（e）100℃時液滴在超疏水表面呈恒接觸角蒸發模式；（f）100℃時液滴在親水表面呈恒接觸半徑蒸發模式。

隨著親水微坑直徑的增大，同體積的液滴在微坑上的蒸發時間變短，實現了親水圓槽圖案和親水微坑點陣圖案上液滴的可控蒸發（圖3）。

圖3 （a）不同直徑的親水微坑的蒸發時間；（b）親水圓槽圖案可控蒸發；（c）親水微坑點狀圖案上的液滴控制蒸發。

液滴定向彈跳

常溫下通過控制基底潤濕性差異程度以及液滴與親水區域的接觸面積可實現液滴不同距離的定向彈跳。當液滴接觸到超疏水和親水邊界線（紅色虛線）后，朝著更加濕潤的親水區域彈跳（圖4a）。液滴在超疏水-超親水的極端潤濕性表面上經60ms后完全從超疏水區域彈跳至超親水區域（圖5a），而在具有超疏水-親水的中度潤濕性差異基底上經51ms后液滴完全從超疏水區域彈跳至親水區域（圖5b）。液滴在超疏水-超親水表面上的定向彈跳距離大于液滴在超疏水-親水的表面上的定向彈跳距離（圖5c）。主要是由于較高的潤濕性對比下作用在回彈液滴上的合力越大，導致其著落距離增大。液滴與親水接觸面積比例的增大使液滴粘附力也隨之增大，黏性耗散能增加，且親水區域明顯的釘扎效應會耗散液滴的動能，使定向彈跳距離及著陸距離也隨之縮短（圖6a-6d）。

圖4 （a）水滴輕微接觸到親水區域后朝向更潤濕表面的方向定向彈跳；（b）撞擊液滴在超疏水性和親水性區域上的接觸線軌跡隨時間的變化。

圖5 （a）液滴在超疏水-超親水的極端潤濕性表面上的定向彈跳過程；（b）液滴在超疏水-親水基底上的定向彈跳過程；（c）超疏水-超親水、超疏水-親水基底上定向彈跳的液滴接觸線軌跡隨時間變化圖。

圖6 （a-c）分別為50%、22%、12%親水區域接觸面積的液滴定向彈跳情況；（d）親水區域接觸面積比例不同時液滴接觸線軌跡隨時間變化圖。

高溫條件下極端潤濕性交界處液滴定向彈跳

在加熱潤濕模式下可以實現液滴的定向彈跳。當溫度Ts低于Leidenfrost沸點時，液滴朝向親水區域彈跳（圖7a）。當溫度Ts高于Leidenfrost沸點時，由蒸汽層產生的推力使液滴在交界處垂直反彈或向超疏水區域移動（圖7b-7c）。

圖7 溫度為（a）150℃；（b）200℃和（c）250℃時不同潤濕性的表面交界處的液滴的定向彈跳。

液滴在極端潤濕性表面的定向運輸

在Laplace壓力差驅動的潤濕性圖案化表面，實現了液滴從小圓槽到大圓槽的定向運輸（圖8a-8c），流速呈先增大后減少的趨勢（圖8d）。基于這一規律實現了液滴在潤濕性圖案化微流道表面的匯合和分流運輸運用（圖8e-8f）。

圖8 （a）開放表面微流體系統；（b）去離子水由小圓槽儲層到大圓槽儲層的運輸過程；（c）去離子水由大圓槽儲層到小圓槽儲層的運輸過程；（d）大圓槽儲存的液滴體積及液滴流速隨時間變化量；（e）圖案化微流道中液滴匯合實驗；（f）圖案化微流道中液滴分流實驗。

溫度梯度驅動下的液滴定向和抗重力運輸

溫度梯度促使液滴從高溫區遷移到低溫區，在5.9℃/mm的溫度梯度下實現了去離子水、無水乙醇和和煤油等不同黏度的液體的定向運輸（圖9b），且運輸速率隨溫度梯度的下降而減小（圖9c）。在溫度梯度的作用下，液滴在不同溫度區域的接觸角不同，低溫部分的表面張力較大。基于此原理實現了最大傳輸傾斜度為3°的去離子水、無水乙醇和和煤油從高溫側到冷凝側的短距離抗重力傳輸（圖9d）。

圖9 (a) 由溫度梯度驅動的液滴運輸實驗裝置；(b)溫度梯度驅動的不同液滴的定向運輸；(c)不同液滴的遷移速度隨溫度梯度的變化；(d)由溫度梯度驅動的不同液滴抗重力運輸。

綜上所述，研究人員通過控制潤濕性差異實現了寬泛溫度范圍內的極端潤濕性表面的液滴可控蒸發、定向彈跳和定向運輸。開發新型潤濕性差異運輸平臺，突破運輸距離限制，減少與運輸平臺的接觸面積，實現不同液滴多場景下的無需能量輸入的低損耗和長距離無泵運輸。基于潤濕性差異的運輸平臺將會在生物化學、微流控系統、細胞培養和能源采集與利用等領域開辟更多新的應用。

論文鏈接： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ac94bb

審核編輯 ：李倩