仿生多梯度特殊浸润性表面构筑及微液滴可控驱动研究

The control of droplet motion is one of the key technologies for lab on a chip development. Because surface effect has an important effect on the microliquid transport, the wettability gradient surface based on the properties of microliquid has aroused the attention of a lot of people. Aim at the practical issue in using the wettability gradient surface, such as complicated fabrication process, difficult control of self-propelling, failure in harsh environment and so on, based on the study progress of special wettability surface in the natural universe, this project is designed to focus on the new fabrication method of wettability gradient from the biomimetic viewpoint, i.e., introducing another gradient on the wettability gradient surface and cooperating of multi-gradient effect to control the motion of droplet. We decide to seek faster and more efficient ways to design and adjust multi-gradient. Study the motion behavior of droplet on the multi-gradient surface and the effect of multi-gradient to achieve the control of the movement of droplet efficiently. At last, we study the change of multi-gradient in harsh environment (low temperature, high humidity and high temperature) and fabricate special structure via the synergistic cooperation of multi-scale mciro/nano structure and multi-gradient to drive the droplet in given surrounding. This study not only could provide the chance to understand deeply the interaction between the special surface and droplet to design new device, but also is of significant interest in many applications, such as liquid transport.

微液滴驱动与控制是芯片实验室发展需要解决的关键技术之一，由于表面效应在微流动中具有举足轻重的作用，因此，基于微尺度下流体特性而设计的浸润性梯度表面越来越引起人们的关注。本项目针对现有浸润性梯度表面驱动研究中尚未解决的问题，如制备过程复杂、自驱动难以控制、低温失效等，拟借鉴自然界中具有微液滴传输特性的表、界面结构，制备特殊浸润性梯度表面，即浸润性梯度表面引入其它梯度，多梯度协同控制液滴运动。拟寻求简单有效地构筑、调控多梯度表面的方法；拟研究微液滴运动规律和多梯度驱动液滴的协同性，实现液滴驱动的有效控制；拟研究特殊环境（低温、高湿、高温）中多梯度的变化规律，通过多尺度微/纳米结构与多梯度的协同效应，构筑适合的特殊浸润性表面，实现特定环境中微液滴驱动可控。该研究既可加深理解特殊结构与液滴的作用机制，对研发新器件提供理论依据与技术支持，又可实现液滴自驱动的有效控制，在微流体领域具有广泛的应用前景。

微液滴驱动与控制是芯片实验室发展需要解决的关键技术之一。近年来，随着器械尺寸越来越小，相继出现了一些纳米量级的微细机械装置，使传统外力驱动方式受到了巨大的挑战，寻求多种可能的非机械驱动成为国内外学者研究的热点之一。由于表面效应在微流动中具有举足轻重的作用，因此，基于微尺度下流体特性而设计的浸润性梯度表面越来越引起人们的关注。. 自然界中的生物经过长期的进化过程，其结构与功能已达到近乎完美的程度。随着仿生科学的兴起，仿生研究的新发现、新理论为界面科学的发展带来了新灵感和新契机。本项目针对现有浸润性梯度材料驱动研究中尚未解决的问题，如制备过程复杂、自驱动难以控制、低温失效等，基于仿生理念，借鉴自然界中具有微液滴传输特性的表、界面结构（如荷叶表面多尺度结构，蝴蝶翅膀各向异性，蜘蛛丝表面多梯度结构等），提出了构筑特殊浸润性梯度表面，即浸润性梯度表面引入其它梯度，多梯度协同控制液滴运动的研究。. 1）提出了多种简单有效地构筑、调控多梯度结构的方法；. 2）研究了表面浸润性与表面结构之间的关系、多梯度对液滴驱动的影响，调控相互之间的作用，实现了多梯度对液滴驱动的有效调控；. 3）研究特殊环境（低温、高湿、高温等）中各梯度的变化规律，通过多尺度的协同效应，构筑适合的多尺度多梯度表面，实现了特殊环境中液滴可控驱动。. 本项目严格按照申请书上研究内容开展工作，现已全部完成申请书上研究目标，取得了一些研究结果。现已发表第一作者或通讯作者SCI论文10篇，其中影响因子大于8的2篇，授权专利4项，培养研究生4人，为后续工作继续深入打下良好的研究基础。. 该项目研究既可以进一步加深理解特殊结构与液滴的作用机制，对研发新型器件提供理论依据与技术支持，又可以实现多梯度表面液滴自驱动的有效控制，能够在涉及微流体输运场合提供非机械驱动力，在集成电路冷却、流体微量配给、药物微量注射、微型传感器、微推进器的燃料输送等领域具有广泛的应用前景。