● 摘要
液滴操控技术能够有效的控制液滴的传输，在传热，雾水收集，微流控等领域有很重要的应用。材料的浸润性各向异性会使其表面上的液滴在不同方向运动所遇到的阻滞力不一样，导致液滴会在阻滞力较小的方向更容易移动，即液滴的运动具有方向性，借助于这种特性，浸润性各向异性的表面被广泛的应用于液滴操控技术。尽管研究者们已经实现了浸润性表面上液滴的定向传输，液滴传输的效率还是受到表面粘滞力的影响而受到了一定的限制。因此，提高浸润性各向异性材料的液滴传输效率是一项很重要的研究。本文研究了由不对称结构产生的浸润性各向异性的材料表面上液滴的传输，发现利用液滴合并，对系统施加以热量和在材料表面构筑润滑层能够实现在这种材料表面上的液滴的快速传输。
研究了通过液滴生长及合并在梦幻女神蝴蝶翅膀表面上实现的液滴传输，发现合并能够导致液滴定向快速的移动。液滴的定向运动源于蝴蝶翅膀表面的微纳米复合的不对称锯齿结构。蝴蝶翅膀表面覆盖有一层层微米级的鳞片，鳞片弯向表面展现出一种类锯齿的形貌。鳞片表面有平行排列的顶端长有倒刺的条带，条带上有纳米级栅格。不对称的微纳米复合的结构除了让蝴蝶翅膀表现出超疏水的性质以外，还表现出了浸润性的各向异性。在雾气环境下，蝴蝶翅膀表面形成的雾滴在生长过程中会出现不是很明显的定向移动，而当液滴合并发生后，合并过程中释放的能量使液滴能够以较快的速度移动，而合并导致液滴与表面的相互作用产生的拉普拉斯压差使得液滴能够定向移动。此外，如果对表面施加以振动，使得液滴在获得振动提供的能量以外也与表面相互作用，液滴也能够发生比较快的定向运动, 这验证了我们关于合并液滴能够快速定向运动的解释。根据研究所得出的结论，我们制备了微纳米复合的倾斜锥形针阵列表面，发现合并的雾滴在这种材料表面同样能够发生定向快速的运动，这表明我们的工作对制备具有快速传输液滴能力的材料具有很好的指导意义。
研究了利用倾斜硅纳米线表面在高温下产生的浸润性各向异性实现的液滴传输。通过调控样品表面硅纳米线的长度，倾角以及化学浸润性，制备得到了常温下具有不同浸润性的倾斜硅纳米线材料。滴加在常温样品上的液滴没有明显定向运动。研究了350°C高温下不同倾斜硅纳米线材料的浸润性表现以及滴加在这些材料表面上液滴的运动行为，发现只有纳米线长度适中，化学超亲水性的材料才会在高温下表现出浸润性的各向异性，液滴在表面铺展后底部会有蒸发导致的气膜的生成，气膜的生成极大的降低了液滴在表面运动所遇到的阻力，因此滴加在这种材料表面上的液滴在铺展后能够定向快速的运动，液滴的运动速度会受到硅纳米线倾角的影响。硅纳米线过长则会导致液滴剧烈的沸腾甚至炸裂，导致材料不再适用于液滴传输，而如果硅纳米线过短，或者化学亲水性不够，滴加在样品表面的液滴与表面的接触会被液滴底部生成的气膜所阻隔，样品不能被浸润，液滴没有明显的定向运动。
研究了通过在多花玉仙人球刺表面构筑一层液膜来实现的液滴的快速传输。多花玉仙人球刺表面覆盖有一层与表面呈一定夹角的鳞片，鳞片与刺表面之间的空间构成了一种类似于喇叭口的毛细管系统，这种结构让多花玉仙人球刺表现出了浸润性的各向异性。因为表面倾斜的鳞片的存在，第一个在刺表面上形成的液滴会受到不对称的拉普拉斯压差的影响，拉普拉斯压差力由刺的尖端指向刺的底部，因此液滴会往刺的底部运动。第一个液滴运动过后，液滴与表面的相互作用及喇叭口结构产生的毛细力会导致一部分的液体被困在鳞片与表面的空间中，鳞片之间的空隙让这部分液体相互连续形成一层液膜。液膜的存在极大的降低了后续液滴在刺表面上运动所遇到的阻力，因此后续的液滴的运动速度要明显的快于第一个液滴。