水滴表面流动性的消除机理及其应用

Water droplet on superhydrophobic surface has gradually attracted attention from physics and chemistry areas, along with the remarkable progress made in the study of artificial superhydrophobic surface. This new area is flourishing and some fascinating studies have emerged such as droplet cutting, quasi-elastic collision and droplet container for chemical reaction, the work of which evolves both theory and experiment. A droplet can present a smooth spherical surface due to the liquidity which is based for all the properties and behaviors of a droplet. However, we have found that the surface liquidity can be eliminated by the combination of hydrophobe and mechanical pressure, for which the droplet would present solid-like deformation stably and a series of special behaviors. This property is opposite to what we know about liquid before; given a good progress the relative study will have a significant impact. Based on our previous findings, this project will include in-depth study of the physical mechanism of the elimination of surface liquidity, the surface and internal water structure, the change on energy and the interaction between water molecules and hydrophobic particles. Moreover, non-pure water system will be involved in the project, and the evaporation process as well as the residues overcoming the effect of surface tension will be studied. The research of surface liquidity will be carried out in many aspects and the application will also be explored.

随着人工超疏水表面研究的发展，超疏水表面上的水滴作为一种微流体逐渐成为物理、化学等学科的研究对象。水滴切割、水滴的类弹性碰撞、水滴微反应容器等别开生面的研究从理论和应用两方面显示了这一新兴领域的蓬勃朝气。液体具有流动性，所以水滴可以呈现出光滑的、只有一个曲率中心的球形表面，这是其所有性能和行为的基础。然而我们已经证明，水滴的表面流动性可以通过机械压力和疏水物质的共同作用予以消除，从而使其发生固体般的稳定形变以及一系列特异行为。这一特性与液体的常规性质相反，若相关研究获得突破将产生重大影响。本项目在此发现基础上将深入研究流动性消失的物理机制，探索失去表面流动性的水滴的表面和内部结构、能量变化以及水分子与疏水颗粒间的相互作用。此外还将对包括非纯水体系在内的液滴蒸发过程及其克服表面张力作用后的蒸发产物进行研究，在多方面了解表面流动性消除的同时为其应用开辟方向。

将微米或纳米颗粒引入到水滴表面，由于颗粒的隔离作用，水滴将不会浸润任何基底，这种液滴－颗粒复合体系被称为液体弹珠，在化学分析、材料合成、细胞培养等领域有着广泛的应用。传统的液体弹珠的制备是令水滴在粉末上滚动，使粉末中的颗粒引入到水滴表面，这样形成的颗粒壳包含大量的团簇，从而降低了水滴的透明性；另外，这种方法获得的颗粒面密度通常较小，颗粒不能完整包裹水滴，因此水滴会保持球形或扁球形。2013年，申请人利用溶胶－凝胶法制备的超疏水薄膜对水滴进行挤压等操纵，将薄膜上的纳米颗粒转移到了水滴表面，制备出了非球形且可任意变形的液体弹珠。由于避免了团簇，纳米颗粒在水滴表面无法直接观察，因此变形的液体弹珠好似一个失去了流动性的裸液滴，对这种复杂液滴的形成机制和物理特性的研究即是本项目的主要内容。本项目通过实验、理论和仿真手段的结合主要获得了以下成果：１）揭示了水滴表面流动性的消除原因在于界面纳米颗粒的堵塞；２）发现水滴表面的堵塞状态主要取决于颗粒密度，而颗粒密度可以通过压力和体积进行调控；３）利用重力诱导的粘滞效应，实现了毫升级别水饼的界面堵塞，并在此基础上实现了液体形状的精确控制；４）开发了两种利用界面堵塞制备单层纳米颗粒覆盖的液体弹珠的方法，并求算出堵塞后颗粒膜的面积减小了86％，颗粒间距减小了7％。这些成果较为系统地解释了水滴表面流动性消除的现象，阐明了透明的可变形的液体弹珠的形成机制、构造和形态调控，为后续深入研究该体系的物理特性和应用奠定了基础。