以梯度织构为基底的石墨烯覆层表面液滴自驱动行为研究

Wetting and driving of the droplets on the textured surface have attracted considerable attention. Understandings of the driving mechanism, motion rule and controllability of the droplets on the textured surface are still ambiguous. In this project, the monolayered graphene is introduced to be covered on the gradient textured substrate. The gradient texture drives the droplet while the covered graphene decreases the solid-liquid interfacial friction, resulting in the self-driven of the droplet on the composite substrate. The properties of the interaction among textured substrate, graphene and liquid droplet are investigated. The self-driven behaviors of the droplet on the gradient texture-graphene composite substrate are explored. The self-driven force of the droplet versus the liquid-solid interface energy is studied to clarify the self-driven mechanism with considering the influences of the wetting state, the configuration of the texture, the compound physical fields, and the evaporation effect. The rules of the droplet-substrate interfacial friction and energy dissipation are revealed. The coupling mechanism of the driving forces caused by the gradient texture and the varied surface energy of the droplet is clarified. The theoretical relationship among the surface tension of the droplet, the gradient of the texture, and the liquid- solid friction is constructed to achieve the motion controllability of the droplet. This study will provide the theoretical basis for the design of the microfluidic control systems and micro/nano-fluid devices.

液滴在织构表面上的润湿和驱动是当前研究热点，但缺乏从理论上认识液滴的驱动机理、运动规律和可控性。本项目创新性地将单层石墨烯引入梯度织构表面，以梯度织构实现液滴驱动，以石墨烯覆层降低固-液界面摩擦，实现液滴在梯度织构-石墨烯覆层表面上的自驱动。拟基于液滴、基底织构和石墨烯的相互作用特性研究，探索液滴在梯度织构-石墨烯覆层表面的自驱动行为；发掘液滴自驱动力随流体与梯度织构-石墨烯复合界面能的变化规律，阐明液滴润湿形态、织构形貌、复合物理场和蒸发效应等对液滴自驱动特性的影响机理；揭示液滴与梯度织构-石墨烯界面的摩擦和能量损耗规律；探明液滴自驱动过程中梯度织构引起的润湿梯度驱动和液滴形变引起的表面能驱动二者的耦合作用机制；构建液滴自驱动力与液滴表面张力、织构梯度、流-固界面摩擦的理论关系，实现液滴在梯度织构-石墨烯覆层表面的自驱动可控性。研究成果将对微流控系统和微纳流体器件设计提供重要的理论指导。

本项目首次将单层石墨烯引入梯度织构表面，以梯度织构-石墨烯复合功能梯度表面实现液滴自驱动，以石墨烯覆层降低固-液界面摩擦和表面钉扎，凭借单层石墨烯的润湿透性和梯度织构诱发液滴内部的拉普拉斯压差，实现了液滴在梯度织构-石墨烯覆层表面上的可控性自驱动。研究了液滴自驱动过程中液滴润湿形态、织构形貌和复合物理场的影响机理，探索了液滴驱动力、钉扎力、流-固界面摩擦和能量损耗等规律，阐明了液滴自驱动过程中梯度织构引起的润湿梯度驱动和液滴形变引起的表面能驱动二者的耦合作用机制，并在此基础上构建了液滴自驱动力与液滴表面张力、织构梯度、流-固界面摩擦的理论关系，一定程度上实现液滴在梯度织构-石墨烯覆层表面的自驱动可控性，为液滴快速运输表面、微纳流体器件和水收集装置等器件的设计和制造提供了理论指导。另一方面，基于石墨烯与流体界面的滑移及摩擦特性研究结果，创新性提出了时间维度选择性机理，一定程度打破了反渗透膜滤盐领域离子选择性和水渗透性的相互制约；揭示了界面滑移、剪切应变率、石墨烯孔隙率、渗透孔径和膜基底等关键参数对离子选择性和渗透性的影响规律。基于该理论研究，进一步探索了剪切运动多孔石墨烯在离子反渗透领域的应用特性，为反渗透海水淡化和水处理装备的设计和研发提供了重要理论基础。此外，基于该项目流固界面摩擦和滑移相关研究，拓展性研究了黑磷与水界面的各向异性摩擦和滑移特性及力电耦合作用下离子溶液填充碳管的可控致动特性等。.本项目相关研究共发表高质量学术论文17篇，SCI收录16篇，授权发明专利1件。其中，项目负责人以第一作者或通讯作者在Science Advances, Nano Energy、Desalination，ACS Applied Materials & Interfaces，Applied Surface Science等知名学术期刊上发表学术论文16篇，SCI收录15篇；影响因子10以上论文4篇，一区TOP期刊论文7篇。积极开展学术交流，参加国际学术会议3次，国内学术会议、论坛及研讨会15次。培养博士研究生2名（在读），硕士研究生10名，其中1名获得校优秀硕士学位论文。