第
卷
第 期
月年日
力
学
进
展
表面 力应调 制 微 流 的技 术控 的 动驱 理原, ,
,
,’
摘
要
发
展 和优 化 对薄膜
、
滴液和 气 泡 进行 流动制控操 作的 功多 能 装
,置
要 求 深入了 解界 面 现象 和 流 体 微 力
数 强 动烈受 边地界 效 影应
,
响、
学
流动表面积
体 积的 大 比值 和 低雷诺 数流 动是此类 系 的特 统点毛 细数
和,
因
而可 以 通 各 过 表 面种处 理 和 面 表力进 行来 控
本 制 综文述了运 用调 制 向或法切 向 应 对力 匀 均的带 学 处 化 条纹理
及拓扑 结 构 理 表 面纹上 的微滴 和 液 膜 行进驱 动 常的用 技术的基 原本理
纹 理 面
关健 词
微 表控流 技术
,
力应
,
热
细 毛流
,,
微 滴
驱
动
,微 结 构化流动
引言
年 来对 同时驱 动 不同体液通 过 自可各寻 址 通 道 微流控 器 件 的的 商 兴 趣业显 著增 长 ‘ 种
,
这
封或 降低 运行 温度 来减 少 了 驱除 动 机 点理 是开 发廉
价、
,
当前
的靛,
用 且 便耐于 带 携 器 件 的需要
,
近大
开 发 优化和 基于 由 自 面 流 的表 控 流 器件
对
界面 现象及 表面能 调 制 影的响 有 基本 的了 解 部 分 界面 现 在
,
象 行并的 操作加 速 对了少 量液 体样 的品 自动合 成和 析分显 著 减 少地 了 剂 的试 体积 和成本 广 泛 使用价 廉,
世 纪
末就有 了 性 定 的解释
然
而 直到 现 在对 不 少 系统仍 缺 乏然 量定的 描
述目
前对
的
人工 高 聚加 物 工表面 结 构及 封装的 硅 加工 工 艺和
该 题 主的兴 趣 集在 中对 小尺 度统 系的 离散 或 连续
的观微控 制, ,
技术的进 展
列
、、
,
器 给件制 造带来 了 好处
,微
流微阵
、
随
着 对 基 底的化 学和 几 何 成 型 新 技 术 的
、 器 控件 被 正 于用多种 应用 域领
、、
比
如发展 如 光刻 可选 择 材 沉 积料与 刻 蚀 或者 面微
,
表药
物示 踪 光 显学示 技 可术 调 制 光导 维 半纤导体 器件 和激 光 热的 制 控临床 法与医 分 析 环和境 监控
大 多等 数微 控流器 件产 生 过通 玻 璃或 微硅 通道的
加
工 等 验实的能 力得 到了极 大 的扩 展集 成化 的
微传
感器 和 探 器 也测 进 了这促些 器件 的使
用 为预了 测 滴微或 液 膜 形的 状和 度
速
,要对需
影内流
是利 用 电渗 理原
、电
一
水 动 学
力、
磁
一
,
水响
三 相 接 触 线 展 发 力 的给出精 确 的 模 型这 必 须 考一 ‘ 接触角 迟的虑 动接 触 角与静接触 角 的 不 同
,
动 学
力
’
、离
心效应
或者
压力梯 度
然而
滞现
一
象
,,
线张力
,,
及 以 无 移滑 件导致条
基 于表 面 应力 的 驱 动机理 对 总是具 表有 面 大 比积 值微 系 统 的的 由自面 动流特 别有 效 ‘ 润“介 电泳 热 细 【 和毛
,
体
应积
的应力 奇 异 性
户 张线力 只 在 系统 尺 寸小 于
通, 过 浸
时电畔
作
用 显明
在 微尺 度 动流中常
常
,
、
,
被忽、略
而迟 现 滞极象 大 地影 响微 滴运 动 、
因
,
为
力
控 液制
一
液
或
液
一固 边界 的调制 经已有 了 成
需要一 个临 界力 来 克 由 于服 学化的 进接 触角
必 大 于 须一个最 小 值夕 ,
形
貌 的或吸
功的 例 子 基 于 流 外的系 统 的两 个 显 优著 点是可 以
接 直接触 体 液样 和品减 少 液 固 接触面 积 以减 少 固 壁上 的摩擦力 其 主要缺 是点蒸 损失 发这 可以 通 密过
,
缺附 陷致导 的接 线 触不 连续 当接 触线运 动 动时前
而 九要 于大静
接触角
。 ,
也就
是 说
七
。
同样 后动退
,
收稿接日 期
序
允惠 版权翻 圣 文此
,
,
,、
十
一
199-20401C hniaA cdemaci ouJrnl aElcteonircP buishiln goHue.sA l rlihgt sreersved.
thpt:/w/ww.ckn.neti
角必 触须足满,
奴
三
,。
,
’
对
于二 维 以的速度
一
算化
处学 理表 面 上徽 滴形的
状表
征 运在动接 线触 上 不的可 积 力奇应异 性 必 须 由滑移 条件 这 里通 在接过 线 触 上发 或浓 蒸缩 形来消除 阳 , 抓
,
动运 的滴微其 迟性 由滞 以
虑 一 考个位 于平坦 且 学均化匀面底 的上 征特尺 寸为
给
出。
成
中间 层或 由 于 吸附形成 一层分 子 薄膜 其滑 速移度 与地当剪 率切 成 比例 阵 最 分近子 力学动 模
, 拟 ,
,
的部 分 润浸微滴 假其设形 状 为球 冠状 可以。
,
,
吮
、
,
对
或口等 价为、
,
被用来 探索滑 移长 的度源根 和动学力响
应 而 这些结 果 未尚融 连入 模 型续
一降
,
然
吮了
。
为毛 细长 度 一 般
,
液体 静,
压
使力滴微形 状 更扁 平为且 顶 点其 是高体 积 的 单非、
本 综述文了利 用法向 和 切向 应对 力均匀
的
化,
调数函 畔,
不 考 蒸发 虑和 合成作用 这 些特 征是 稳
定
学 , 理处条 或纹带 微 构结 纹 理 面 表上 体驱流动 的 物理机 理 如果 何几深 宽 比 ‘ 足满 。动 叼
句力学 比 足满・
的相 如反果接 线触可 以 自运由 液动体细长 带在上 和 形 状的 弥散 承 要 受 不稳性定。
。
,
。雷 诺数为 大数 多流 可动, ,
等
分 牌别用体流动 学 力析 和 分能量最小 ,
, 用以 润滑近 似 来 研 究 即
这
里 没既 包 有对 电括动现
、
化 理 分论 析考察 各了 边 种界 件
条下 无 长限 液 细 的带接 触线的 线性稳定性 对于 固接触定 线当若 液 带对 液带 是 无 条 件稳定的
,
, 象描的 述如 介 电
多泳 流
相
,、
也 , 不 括包粒子 或微 滴 受电 力 的体迁移 此 涉外 及分 子 间 作 用 力 张线力
, 、
、
蒸发
与隔
离 尺微度 混 合现 象在第
,
以及 器
纵 向波
数
为
的干 扰线 性 稳
定和
,足
【
满,
件
制 相造关 的题本 问 也 未文 予考 虑
节
第和节 和
为稳
定曲率半径
通 过量能
节, 们考 我察 了毛 细力 对 化学 或 形 貌改 的表 面 的
变 最小化 考察 来空了 楔 或 心心 环空和 椭 圆 筒内 的液 的稳带 性定对 给基底 定 几何形 和状接 触 角 和液体
横液膜 和
微滴 的静 力学及 动学力 性 的影特 响第 第 致 节 于力讨 论 液
一液
液
或
一固
界面 表 的 张面力
截 面
积 成增递函 数的未扰动 弯曲 面 液 压 保 力 证了 其
定性稳现今 充分 展 的表发 处面 技 理术 以可 金 硅把和 玻、
的化变对 液 体 动 驱 的用
作静态 细 毛现 象静
止在平 坦 固 体 表 面 并 处 可于忽 略密度的 空气 环
境下的
,,
、
璃等表 面处 理 成 混 合浸 润 的性区 域 例 如 通 选过择性吸
附组自 装的 单分 子层烷基 硫 醇者或 硅氯 分烷 子,
表面能 可被 以改变
全化 镀氟 的膜临 表界 面
张,
,
有具恒定 容积
的
等 微 滴温的 平衡 形
,状,
力 是可 测 出 的结 中最 低果 的【,
滴水在 光滑 坦 平的”
决二定这 包 来括城 功 由最其小 总的 由能 自一 和线 的所 有力 贡献 这里 是 相液内 体 自力 力 面吮 的飞 总 压表面 的贡 献由吮 给出
、。
,
氟
化物 镀 膜表 面 形成 的触接角 可 达
二,
没
有膜
镀。
和
镀膜
。
、
域区上 的 接角 触 的 巨大
、
,
差 别 有助
于 把 液膜 微 或滴 限制在 基底 上 易 于 浸 润
的
中 其飞, 和 , 分 人代 表 液别气 气
一
一
、
一
固
液及
部分
如
果 接 触线与分 别用
致
一 ,
,
一和
。 、
来表征 的
区
固
兮
一
边 界之间 的 界面 力 和张接 面触积 一
・,
域
的 界边这 种条件 下
,
乙方程
不 适再用
在
。 方程 门
即确 定了 弯 曲液 界 面气 两侧的 压 力
降 一守,
,,
以取 可介 于氏和 ,
间 的任 何
之表是
,,
征
界面
的 个 当地 主两要 曲 率 半径 在重 力 场 中力
年一
值
值 其的大 小 决 取 液于 体体 和 边界 几 何积形 状 这 会发也 生在沿等 表面 种被 称为边 缘锚 定 作的用 能 平板 之 间的尖 锐 边缘 上
图等 加
在 ,,
的平
衡要 求
为,
四
,
这
里
为
体液密度 的 垂距 直
离、
为
重 力加 速度
为 距 离 固表面体
,
和
等
且
、研 究 了化
学 于对小 斜 倾
和 角表 面 梯
度
。,
二
产
。
各・向异 性 表面 上 液带 微 滴或的 静 态 形 态 描述 了 液在体
“
图
和
即
,
一
川
一
或,
可
以 简化
成
创 功的形 式 川 护
“
十。
是液
,
气
界
的 面部 分 浸润 矩 形条 带表 面的 平 衡形 状随 着 体积 增的
的外法 单 向 向量 在位这 极种 限情 下况毛 细 压可
以
微 滴 沿时 条 带 的着 向方伸
,
长
而当
简化
成
接角 确触
定。,
的
一 沪叼
, 三相边界的 、
由
,矛
、‘ 条件吮
一
吮
、和
时
微 滴 在条带 的 侧 凸 两 起 田现发对 于足 够 大 的 体积
二只
有 在
在
文 中 不本可 浸润指
可 完 全润指浸
,
夕
。
,部 分
浸 指润
, ,
、
且
、
全
,
上 液 的 体 状形 的 算 会计 及 到 复 杂 的 解涉 析 表 述而,
一
般
而言 纹 理面
然
表
能 形成 本恒 基定 面 截积 伸的 液长
带
条件 下 观才 灿】
等形成的
,
察到 足 够大体 积 完 全 浸 润的 体液单 个凸 起状 液泡 图,
利用
如‘
等 软件包 可 大 以大 简
此外在 两条可 浸 润 的 条
化
在复杂 表 面或体 积 约 下 束 最的 表 小面能 的数 值 计
相 交 形带 成 拐 的 处角 能 产也生 凸 起 的 泡液
图
19492-001C iha nAcdaemc ioJrunl alecEtrnico Pubislhni goHse. uAll irghstr eseved.
r
htt:p//www.cnikn.t
e
,图
、而对 拐角 的平滑 处 可理以 消除 这 种凸 起
,和
,
‘
计算了 多种有趣 的面
表
,一般 随 着 体 积 的 增 液体加图 图 在具 有化 学 结构的 表 面 上 会承受 突 然 形 状的 抉转
结 的分 构岔 表图 和定极稳限 给 定若表 面 能 面结表 构的 征特尺 寸
,
如图
图
和、
体
积
拼
,,
的滴微
在
拌
砰矩 形
微条带 上 的拟模结 外界果触 角 “ 、 二
内接 触
”角
二蒸汽在
大
约
,拼
宽 的
水微亲 条上带 浓 成 缩的 带
不水 稳定性 不 同 ,
大
于 一 界 体 临积且 授 权 制 复版
,权
时
,
生产 均 匀截从 到 面现出 一 凸单 的起分 岔 这 与
叼
获
,等
〔
】和
液
带流经
拼
的半 长环路 结构的 视 俯等值 线 和图 视 图侧
, ,,
体 聚 集在液拐 附近角
和
户宽液带在 图 拐角 结 的俯构视 和视侧图 带 的宽相 等时 适对 当的 体液积体液状 起可凸以 消除被
口,
。
当“拐圆 角的 内率半曲径 图用中圆表 示 做成与 液
】且 体 的液度高剖 也 面 加 均匀更
示 的所 微条带 的
。
。宽
,
以可 用 于 制 液控 体形状 的
,
使
沿 出现楔连 缺 损 续 以所没 稳有定的 平衡 形状 存
在,
为作 定恒平均 曲 率
的平 衡条 件 结的果 人
,
因
而
不 可 浸 的润 液体
二
用
形 成 则球 冠 液桥状等
网 阐〕明
,
,为
、 、
二
、
,
所
液体 以
也决 定的了控
图
认
识 尖到锐的 边缘 和 阶 台可以 用
如云果
特征 厚 度 的尺 度
尺为 度哪
度长度尺
。
来 限制 体 及液接 触
母 线裂纹 的台阶高 度小 到
制 边界 或 可 不浸润 缺 陷 近 的 液附膜 度 高 降 的 下 向
线横 张力 和分 离 压力 作用 的结 合将 引入 附 加 ,
液体 的 展铺可 以 被 约
一
和束,
的长
度 尺 这度 个尺 度 能改变 学化修 表面饰 的平衡 形
利用
对
二,
方
程的
,,
态
和 稳 定 限
摄动 分极 析 考 了部 察分浸润 液体 在 糙粗面
二表
,
形 成的 微滴 形状
,
如
图
所
二其
拓 有扑 纹理 结构表 面 上的微 滴形
状纹 理表 面 以可分 为 具有尖锐 拐 角 和边 缘以 及 斜和 叫 和 曲率随率位 置 光 滑 变 化 两 类先最 研 了究 在接 触 角 分别 为 对 且称小 开 口 招角一
、
示
,
当
即很 使小的 粗糙 度 幅值
能 导也 致显 著轴对称的 形变微 滴 平 衡中心 的位置 与
双重沟 槽表面 的 局 最部小值 一 通致过 表面 在设 不 可计 浸润 的 缺陷 阵列
图和
的两
平 板 块形
,
或在者 圆柱 阵 呻列可 以
,
成 口
楔 角有内限 体积 的 液体 平的 衡 状形的情 况 下
先
使微滴 形 成 相似 边 多 在 形这些 例 子 中 面表凸 的起
寸尺 比微 滴 直要径 两小 个多 级
由 于量液体
图
不同 体积的 滴微 网在 格 面表形 成 的 平衡形 状 的 值线 等 夕图‘
在
在存 厚
拼着
、
径半
。。 “
斜坡
长拼
琉水 和
的
,
陷缺 的 正 边六 形阵 上列的 油甘平
滑夕
微水滴直 径
【
在
两 块 不 浸 润可 的相 交面 内的 表微滴 形成 液 的
桥基烷乙 酮烯 二 聚 底面物上 的 水滴 获 授 权复
制
和 粗糙 形 系数分
哟二。
版
权 991420-10C hia AcadnemciJou ran llEetrocnciPu bilshin goHus.eAll ri ght sersrvee.
d
htp:t/w/wwc.kin.nt
e 深高 比宽 的 表面纹 理结构可 以 产 超浸 润生 超或 浸非 基 润 底图
大如到、
斌伽
可 忽
图略
所 示表面粗 化糙从
,
川 的
非线性扩 散 方程若 假设 重排 力 液 和 等 等 研瞬 了究型
槽沟内 伸 的展从
俪。
,
,
可 使以水微 滴疏 在水 的 蜡面表 接的触 角
增 ,
液 体
在开 放角 为口的
他们
发、
由 空 于 气 限制被 粗在 糙构结的 空 隙中
, 液 现锋 面 体的 进前具 有 类
的标 度
似
有只一小 部 分撑 支的固 体与液 相 直接 触接对 于 状网
是 液体 固 体接 触与的 积面 分数结 构上 的膜液和 几 与 是空 气 触接
的面 积分 数网
, ,
晰 度】
和
口州,
,
川
‘
,
这里
进 为入沟槽 液的体 高
已 明此 理 证与论 验实沁
是
个一几 何 数 参,和 符 合 得非常
,
好以及
给 出公 式
一
一
‘
最 先报
道
’ 利 相 似用方 法给出 了 关 于水 平
型沟
了疏
水 粉 末性水对 滴微的这 种 作 基用于 样同的 原 荷 叶 与 鸭因子羽 毛 可 以排斥 雨滴 冲 现在 可以 过
,
通槽
内 流动 的更为 详 尽且严 格 分 的
析 毛细 芯吸 作用 与 可 承 受 轴向热通 量 达 通 过热斑 的 减的 管 技 热 术 集成,
同不 材料来人 工 合 被成 为称 超 疏 水 极或端 疏 水 的高 度疏 表水 面哪包括 硅 米纳柱 和呻 镀 有 聚 氟四,
,
来冷弱却高 半 导能体 备设 和 激器光 在更 小 尺 度 的功上效
,
液体
毛细 用
作乙
烯 疏 水 层 的 列碳排纳 管 米
饰己经引 起人们对 碳 米管 纳
或动
力 毛 学细现 象
毛细 压 的力 空 间 化 可 变用 在来 适当距 离 内驱
镀 有 生动物敏 感分 子的 高 分子 纳米 纤 维 成 组的 槽道 兴趣的
可漫润 徽条 带 上的毛 伸 展运细动 开 口管道 的毛 细 用作不 仅 于 凹限液面 陌
小 体
积 液
体这
现种象 一 般 现表在 把 体液吸 入 闭封
或 开 放 的槽
道 及 在倾斜 底 间 微基滴 推进
这 一
我
章
度
标
、,
,
液膜
自发 的 沿宽
《
,侧
依照
的可
们将 综
非 常述 于 微 适 流控应 用的主 动 被动 毛及细 技 术
浸 条 带润 前进
哪等给 出 一个 等温水 考 了察所 示
一
・次
动
力学 模
型
展
,《
制 条限 下件,
,
方 形 储 液池 底 出流 具 小 有 深宽 比液 条体 带的 毛 细
封 闭植扩 中道的 细毛芯 吸 用作
截面在 积为 液
一
如
图一
守
液膜
度
高尸
外
,变化 控
的
。
、周
长 为
的垂
直 毛 细 内
管
,制方
程由
川
」
《
二,
出给,
,
其中
户气
面界时间
随
一亡
进前 位的置
。以
约的一 方程 为般拼
毛 细为 压
此
一
习,
一
。
介
为 位 单度 体 宽积流 量
当
且 远
离液 体 前进 ,
沿 前
,时
为因展 向通 量在 条带 边 沿消 失 为了 精 确 近似, ,
,
即
,
,
、
其 群 是 液体中 毅度,
是 由 管道 几 形何 状 定决 几的是 由 面 张表 力 和
,重
节
何系数 力 衡决定 的最平 平终衡高 度
。
沪
叼 沪二 抛物 线形
。
展 向
面 可剖 认为 是
一
,
,
,,
其中
因
斌,
,
夕
,
是
沿 条 带 中 心 的最线 大 厚
度当
《
。
时,
白
时
通 分 过 和 实验析
此
对 压
力梯 度的主 贡 献要 以可写成
确
定
,守
加
‘比
方程
也
述 描 了微 重 力条件 下液体进入 水 或 平任
意 规方 定向毛 管细 向前的 动 给 运出了 动运期
初进 和口惯性 应效或动 态接触 角修的正 液在 体运 动 前 由弯 曲锋液面 引 起 的毛 细负 压 推液体 动的 进
前即
一
守 护
川 必
沪。
守
。
液
高膜 的演度化方 程 则 退化成 关于 线 性 散扩方 通程过 坐 标变换 。西王 可 以得 到 一个 似 相解侧
,
。
的二
非
。阶
毋
和
二
标
度 是基 于压 梯度力驱 动 动流与 液 柱以 和 这关 事一实 的直 接 论
推
、的
度 无 比长
,其中
较
了等 横截面积 的 形圆 角三形 和 圆 三角 的毛 细形 中管运动 的速 率 现最 发 后 种 一几 何形 状 管 的 道毛中,
一
卜
图
二
合。
户而
从一
‘
,,
。
条 带入
、为
口处
的液膜厚
液
依体照 拭给出 与图
,
侧西万 或 价等
的于 规 律进前
细
润 的浸速率 最大
表沿面 沟 抽 毛 细 的 展
扩出
现 系数
在 台
中 的长 度
名
尺,度 由比
值
合
。
题问中由毛细
径半
度 以速
给
出 不同一
中的 实验 果结 证 实
,液
当,
力
微 观
粗的 糙度 能 著显地增 强 表 面毛 细铺 的展 能 研 究 液了 体沿 半径为 的半 圆 不虑考范德华 力及,
体
前 沿 前 进 足 远够 至以于 流向曲率 可以 忽 略时传 播
形式减 小 对 足 大 够的 液储池 如 同进 口, 、 阳 且 前 进速 高度保持 恒 则定 膜液高度 为
,
完 全形 浸润沟 槽 的中毛 细 上
升液体在
扩 展方 上向润 滑 极 限 内的 表 曲面率度
城
,
膜液
叮厚
度为
这种
系
关
,
二
进 口 高 度 和 特征 尺 度 之 的间。
控 制的方程 退化 成 了关 相 似于 变量
确 立 了 传播速 度 对长 尺 度度
的更
的
强 1994-0102 hCin Aacaemdi Journal Eclecrotnc iPublshingiHou se All. irgtshr esrveed.
thpt:/w/w.wckinnet
.
方 依次关赖系 这 已经 实被 验 实证图
,
相
反
封 管闭 的
,
道
盯方程预 测
、侧
图
为
究等温研 毛 细扩展 的 水储亲池液和有 限 带 条 何 几参数的 意 示图
入 口置位在
二
扩
散 条带无 量纲液
硅 条油带拼
二 二
膜度厚剖 的面 相 似自
解
争,
,
。,
连点线 为 值 解数
拼
,,
实连
线为 近 解析解
似拼
不 同距
离 处 传 速播 度的量 测结果 处测的得播速传与度条宽度
带实
线为 之 间
关系
的
三
拟
合得到 的幂指 律
数距
入口
二
切
实线 两 次实为结果验拟 合的指数律幂 【
低
度厚
时
数,
由于 展
向界 面 曲 率 导 致 压的
,
运力
动
同 样的 理
【
,
道
开放 锥圆管 中的 浸 润 液体 椎 向对毛 管细内壁 部 分镀
,
梯
度 烈强 限 制 多 方了向 的 扩 展 及 镀膜流 动 中 的液
膜 例如 对
沾 湿镀 过 膜程 拖 带中出 的 液 膜厚度 液 体制 在 狭限 条 带窄将急剧 地 小 控减制 长 度 尺度 ” 和 动学 尺力度 护” 详 气万 一刀
见 歹录
毛附细 力 梯压度 推的动 作
用尖
向运 动
膜方使 壁 内 接的触 产角 生 差异
来 研 类究似 的作
由用毛细 管 中两 不种相 且溶表 面 张力 同不的 液 体 的组成
的 双 分组 液 段 图 现表 了相似的 运 规动 律‘ 报道了 在玻璃 毛 细 中管 水二硫 化
碳
一 组双 分 段液 的 自 运发
动
和
即 近最对
毛
管 中考虑液细膜 夹 带 的 组 分双液段 进 行 了 验 实研
与 上
述 自发 的动流不 通同过 表 面 张 力的 别差
,或
究
图
双
分 组 动运要 求 两种体 之 一 液是完 全
者柱液端部界 面 率半曲径 的 不同 可实现以主 式动操
,浸
润的动液 体 运动 的新 月 形弯 曲 完的全 浸润 液 液体 面的 细 压毛差
为△
一 ,
,
作守 最简 单的例 子两 个是 不 行 平的 表面 的间 微滴 以可按 照 规 定的 方 向和 速度 移动 描述 了
三 明 式 夹治在 平滑而 平不行 平 板 间的 浸 润微 滴 运的
一 守
、
其中
守 吮
今
别分表 示 液体
、
体液
的
面 表张
,
力
动
他图 观 察到液 体两 向板 夹 收角缩 端 加 速
为液
体
液体
的
相 互 界面 张
力
图
当
。
。
时
・
,
液
朝 向 远体离 窄缝 隙一 侧 动
运・
在
直径毛
细
管中 乙 烯由 乙二 醇吮 液柱 吮
和油 硅行 获剑桥 大 出学 社版 授 由文 献
权
和组成
的 自驱 动双 组 分 【 复制
和
发呻展了 一 种 用利 微 流控 叭
、
一
斌△
决二
定
,一
拼△
这, 里数常
△
几。
由
器 驱件动 液柱 的小电 子 寻址 方 法柱液 的前 面进和 后退
面
是几 何系数一
由于是
之间的 毛细 压差 ,
,
由埋 在基 底
的 加
热没
触 接角 的迟 滞现象 即 九动所 需的 最 小 温度差
断
护
而 使液
体发 生 运
式 激 活电阻 来 调 整 阻 电 的 度 小宽于 微滴的 长 度
等 阵基 于此热
通毛过 波导 管传 播
有
外部 压 力度 的梯情 况 下温度
差
△前进面 后 退和 面 间 的
之
,的
驱细 动 法方设 计 了 一 种 光子 开关 油 柱 射反
几
一
几决 定了通 过 直 径为
的 柱 液速度
的
的光 在 充 满 液 体的槽 道 被 中热 细毛泵 制 动 的 气泡
或平 毛 细 水管的 长 为
其
满足 式
公1994 2-100Ch ni Aaacedim Jcuonra ElecltonrciPubl siihgn Hose. uAllr ighs retsreedv.
h
tt:p/w/w.cnkwi.ne
t
底基 能
度导梯致 驱的 动
,
以所 液 体薪 在此 表 性达式 中没 有 显明的表 出现 微来 滴 只对 在 施 叽加接触线条件 的 作用
下 运动
过 通 液固 面界的力平 衡
,
利用 基底表化面学 分 的成梯 度或 电浸 润 调 基制 底液 相 固相和之间 界 面 表的 面能 从而 控制微 滴沿 基底
动 的 方 向和运 速度 其 动 驱 理 基 于机前进 端 和尾端 接触 角的 差 别 移 动 触接线近附区 提供 域驱 动了 的
能 这 与在量 各向 同性 面 表 不 那同种 区 域大 是 耗多
散 ,,
,推导
出
笋
了
,
含可变铺 展 数
的 系速度 由 式 决 定
、下
、
一
、,
的
二 维 微滴 沿 基 的 运底 表动达 式 在 润 滑极限 内 滴
能微 量的
一式
和
一
‘、
一
学非 化均 匀 面表上 的运动 提阳出 了 薪 性 滴微在 化 各 学 向性 同或 各 向 性表 异面上 的润滑 模型
展 和 收
缩
,外
击
舟,
・
一
芸
,
,‘
他感
兴趣于 毛细铺
由于表 面 染污导 致 生 的 物 胞变细形 以 及,
,
中的 个第 等式要求 分 表 示别 退 和 后前进接触 的线 位置 处 产生发 散在接触 线而
守
,
为了避 免引
一
,化 在 学成分 渐变表 面上 微 的滴或 细 胞的 蔓 延运
动 小 的平对衡接 触 角
入叽了 一个 分子 尺度 的 断截 长度
‘通过
他
假 设 接 线触
,以
速度
方程
,
,
可
以 被表示 为
拼一
‘
从而
一甲
袱界 条 件。
基
底二
一
元
前进
且满足 液 固 界 面的 滑 移边
。,
这 两
模 型个
中
其一
轴
垂直
于“
预 都测滴微 的速 度 与 能提供
速 度的上 限
和
夕
成 比例
,
然 而于 由接
,触
这里
是 动触 接角,
,
元
是底基 平面 上 接 线
角触的迟 现 象滞导致 反的 作 用力被忽 以略 的上 测预
以只 和
及外的 法线方 向 位单 向量
为
量级 的常,
到
考虑不 接 触角 迟 的滞 象现和 分 压离 力作 用得他 数十
附 通 逐过渐 降 表低密度面 方的法把癸基
守
尸,
拼
三 氯【硅 烷 单 分子 层移 植 于玻 璃 硅和基 底 上
,
制备
每经 出过
表面 能变 渐的表 面
一
放 在此 面 表上 的微水会 自发滴
管接尽触角 的迟 滞
在 微 缓 慢滴铺 展于 由
入 万牙
,
地克 服 重 力 上向朝 接触 角 较 的 区 小 运域动
的 距离
,
入
接
触角减 约小,
描述的 化 学 分 渐成变表 面 条的 下 件解此 方 ‘ 。程 功 牙 州 兀叼凡
了, ,, ,
利
和
用范
围 在
但乙 烯乙 二 微 滴 扭 醇 的前进 度速 可 以 到 等 在 达紫 外光 照射
, 下
,、
把
二石
,
,
、
。对
方程
拼、
量无 化纲其
中,
,
是。 微初 通 过 对高滴
含有光 致变 色 氮偶 苯 集团 自的组装 单 分 子 层镀 于石 英基底
分上 会从 子显 示疏出水
的
、始
半
径是 滴微 始初静 接触角 导 致时 间相 关
项
与
小三数 ‘
参略,
,成
线性比例 关 系
,
性骨架 的 平 反坦 结构 曲顺 式 结 构式
转换 成含 极性 氮基 的扭团的
值加增
,
剖面度函 数的 摄 动展 开他 总 结 出在 零 时微滴阶
、保。 口 球持 状 且冠以平 均 度速二 劝。 。入 一二 运 因 动微此滴朝着 接触更角小 或等 于价 私附力 更 大
这
种 向取 的变 化使性
从
导致 而了液 接 体 角触 相的应 变化 ,
等
也证 实了 对 基 底 不 对 的称照 射可 以驱 微动
、
滴
的区域 动运
因
为。
在常定 曲率 表面
,
即
,
动 图运
图
图
和光
可反应 自推 动 包 且 含全 氛癸 基 氛三 硅烷的
、
授权复 制
、。
。 获 烷烃 微滴在 宽 亲条水上运带 的图像动 列 序 △对 非照称射 对 致 异 构光氮苯 单偶层 动表 面推 的橄 油榄微 运 动滴 的照片 和示 意图
,
紫
外单的 转层 为更化 高 极 矩 的偶式顺 构结更 小 的接触 角 使 的 。结 更 大 构的接触 的 获角授 权复 制版 权 等
,
后然用再 蓝光
照 使单射 回 复 层成 式反
199420-01 hiCn Aacdemic aJouralnE lctronie cPublihsig nHous. Aellr gitshr seerev.
httpd/:w/w.wcnk.niet
界面
能
吮,
梯的度
,
可以通 过含 有 可吸附于 基
他角 发现 们 数
函年,
,
的
曲线类 似 于电毛细 现 象中一
底
的可溶 性 剂 试微的滴 的移 来动态地动产生 ‘ ,, 及以和 检等测 包了含
运 动 时可 玻 被璃 底基吸 附 的 全氟 酸梭 或全 氟 癸基 三
随着
,
的
曲 线们他 为认 按 照的减 界小 面 能的变与化,
、
‘方
程
,成比 例
,
使
固用 金体 属 极 电碘 化银 和表 改性面 的 石英的 续后研 究证
明 气泡 接 的触角 决 于 表 定 面电 荷密度 且 , ,假通 过 电 荷作 用 设其 最 值在 大 电 荷零 位置 等
硅氯 烷 自的驱动 烷 烃 微 这滴 种拖 出 的 面表单 分 子 微 滴层 导 致表 疏水 在面这 自疏种水系 统 中
“ ”
,
速 度的可 以 加 速 超至 过 每 几秒 厘 个米
来改 接变触 被角 称 为电浸 润和
双
层 电
,
的同
样
,
沿, 固 物体 周体 长 制造 各非向 同性铺 系展
以
及论
,理
,
等
由
数 可以 动驱 小固体 体 沿 物体液 表面 运 物体动由 于
提一 出 了 带电荷 和 可
表叭面 张 力变化 而 到受 的 力净为
一
离表面 上 电电解液 接 角 的理 触论模 型 他 们 算 计了无几
兑
・‘
‘
大限 系统即 不 虑考 接触 时线 表 面电 荷度导致 的变化密此 若假 设时的 和 飞 无变 化程 可方 被以用 来计 算 变改 的接 触 角“
、
、
,
一
‘
叫
和
其 中
为 与纵 三 相 接 触线樟 脑碎 年 学屑一
正
交的
液气界 面 切单向,
关
注到 带 电荷 表面接 触 的线 存 可在 能引 入未 被 简代单换考虑 作的
,
位 向用 这 量种 效 的应一个 著名 例 子 是水 在上 舞 的
跳”,
阿 推
断了 外加
一 势 困扰 个 观 察 了几 个者世 纪现 的 象 到直 正确 地 给 出 解 了释,
之
后樟 脑 船 再次 引 起 们 的 人兴 趣
’这是一种 化
将导致 界面 和 相三 触线 接 极 的 性降低 了 面张界力和 给 出了驻 阳留在固 基态底 表 嵌面 于不 线张力可
掺混 的电 液介解 质中的电 液微 解滴的 维二模 型
机 他 械 能相转化 的方法
电毛 细 现 象
假 定固 表体存面 在恒定 的 着表内 面电密度 荷外表 面 荷电 密
度一
,
。和
。
。
根 接触 线 据 位 置和 微滴 状形,
, 守 。一
守电 毛 细现 象 指 通是 过电 荷 改变 液 液边 界 的 设 计界 了一 个 毛细 静电 计 其 张面力
,
满要足 总 由自能最小 化原 则他 得到 了 由于 电 荷 用作 而改 变的 接触 角 乍
。。。 一
沪
,
中包 含
外 加 压
函数电的界 张面力年
,
作 用
下的 有水银
,
一
电解
液的
,
,
及 描 以 述微 形 滴状 的 一般 方程
这
叭,里
代表 不考虑
间 界 面 张
的弯 液曲面的 毛 细 这管 装 个用 来探置 作测为
的变 随化 着 压 的电增 加
静相 电互作 用 力 下
相
和,,
固体
力
,
试
,为接触
处 线的电
、势
供 了提 势电
,
在他观 到察 函
数守
曲
线形 状 近 似于抛 物 线
,
先
向 向
增升 大到 最 大值 后 然又减 小
和守
,
热从力学 的 度 考角虑 得到 关了系
一式。
的 推导
极 限一下的 似近解 根 据他 或 于 向德拜屏 蔽 长度 ‘ 毅 距离之 外接在相 当
触 线
附 近的 液 的体形 状 会背 离 简才单楔形 绝 缘基底 上 的 电 浸润 于 由氧化 及 层制作程 过 中 的染污残 余 物固 体
,电
,
中
其条
件。
表代表面 电 荷密
度
,
下
标
拼代表恒定 化 学
势极 表
面 往往比较 粗糙且 化 上学各 向异性 这将 影 响 电
,
这个 关 系从 质本 上描 述 了 面 表电荷 的库仑 排 假 设 电双 的层 电 容差
为一常 数
守
,极 的重 复
使 用然 如而 果电 质 解溶 液 电极 和 一被 化,
力斥导致 表 张 面力减小
,
学 性 惰且 绝缘 电 的薄 分 开层 化电 反 学应和 定特的吸 ,
可
得以到守
附
被 大将 大 抑制 这 对微 控技流 术应用 利 因 有 为大,
,
各
,
,
一一
玲
“
量不 同 的 体液 电质 解和电 极材 料 可以 被用 来性定 地 生产 类似 效应的
,
、
这
,里
守
跳
,
表 未 充 示界 面电上 的最大 界 面 张力
玲
。
对为应
于 零 电荷时 的 加外电压
作 绝缘为 层上 浸电润 的最早 实的 之验一 测量 了 薄 聚 乙烯 管 中 解电质 溶 液 的毛细
,
展
应 铺用 外势 也可 以影 响 电解 液微 滴 水 在 银表面 的 和 报 道了 蒸水 只 在 馏水
,,
升
高随 横 贯 管 的 电压壁 的函 数 变
固化体面 表表的 面活性 酒 精的存 在
,
他指出 吸 附于
大 减 大小了
叭
银 表 面 铺 展 非 常慢 机无基 团完 全 不铺 展而 稀 过释 酸的溶液会 速快铺 展 段一 定 确的距离 后 停止 验实测
随电 压 加 的 变增化,
阳
感趣兴于 强 电
场 中
电 荷 从电解质 微 滴转 移到 高聚 物 薄片 这种 信息 储存 方 式 测并 了对量 不同 电解 液 加 施 电 压 导 的致么 的 接 触 角 减 小的 , 叫 进行了一 系 等
列实
,
验 表量明最 终 的 触面接积 与 平 方 每纳米
确定成 的状形
, 单位个 电荷
近
似 值相关 加 电外压 可以 微滴使 铺 得展更 远 或 短缩
和
一
利用 水 或 含水 的 高 聚物 溶 液 薄在 高 聚 物
拼
呱
膜
以
及
表、 面 上形成微 滴 电压被 施加 于 插 入
微,
护
测 量水了银
电 液 界 面 的解 气泡的接 触
滴的 线 和细绝 缘 下 层负的 极电间
如
图
示
所 199-2010 Ch4ia nAadceicm oJrnul aElcetonirc Pbulshingi Huoes A.l rilhtsgr eseved.r
http://w
ww.cknine.
t
低在 压 时电 现
。发
,上
厚 度
为的绝
缘 薄层 面表上 具 有 恒 定势电
,
完的
向
, ,
全 导
电微滴他假设接触线附近 微的滴 状形 接为触
角二 对 的的楔形其中 为正和整 数 可 导 电 价 的解导 致表 电面荷密 方 楔形 程 。 的 。。。、 。 度出的 且 现由 尸 于在接触上线, 产 分生 岔 其中是 接距线触的 距 离 。。二 旬
其一
,
中
是绝 层缘 的厚
度,
。。
是
真 空中的介 电 常
数
,图
是
缘绝层 的 相 对介 常 数
电
图描
述 ,,
,
了 外加, 势电使接触角减 小 当大于 一 界 电压 时 接
,
临
,
触饱角 和 到达 固定值
随着
而
的 一 步增加进
会口
十
,
二
图
电在场中 相应 产
生 接触线产处 光 射照的 子 化离现 象 图 观察 在 到足够 强场 中细电 小 微滴 沿 水 的接 纯等
生 的
这个 岔 分被 认为是 导 致空 气 电及 强 离 中场接触
线触 的 发 喷通 过 并化简的 性 稳定线 分 性
析更薄、
,
,
总结
角 和饱的原 因图 等
设假液气界面 在使完 全 导电
相微平衡 而非用
,固
到得 大不 稳定最波 长近 似与绝 缘 的厚 层度 成比
量级 且例可 以 承 受 更介质高 穿
击
,滴
的毛细压 和法 向 电 力应旬
体楔形 来 近 似表 示 微 的滴 状形线 的表面倾角 由 文前 定
义
小 的 计化 算 得到 的数 值 结果 表 明
, 他们 假设远 离接 给触出 过通能 量
最固体 面表 的接 触
角
电场的 自由针 眼 绝缘
层允
降许 所 需低 的 驱 动电压
可 独 寻单
,
对 接触 角以进行 明 显 的 整
调 址 电的 阵极 可列以对 接 触角 正如第
约 、进行 空 间 调制,
于等
二
,
即
一角
更
进一步 ,
,他
节中 讨 过 的
、论
,
触接角 梯 可度用 以 也 可 以于在低 能 耗
, ,
们 展发 了 在接触 微 滴线曲率 的 弱 奇异 性
这 种,奇 异
量级 速 的度 驱 动 滴
微
合并图及 混合 微 件条下 来分 图离滴 ,由 于电浸 润致导的 液体 形 状 迅的 速变化
已 经被用 来 制调光 透 学
镜,
性通 过 面 表 电荷 密 度 的 分表岔现 出 来 令人 兴 趣 阱感 现 法发 应 力 向的适 当 平 衡 要静 求电 是 力和 毛的细力 两 者 贡献 的他但 的论结是 当长 尺度度 一 小于 德 拜屏 蔽长 、 度‘ 时 楔形近 似 也可 以 适用 近最 等将 双 电 效应层和 应 力
与 ,,,
可
开 控制镜 关面
,和 其他
学光 显 屏
示电浸 润
和超 疏水表面结 合
可今
至
以大大增强 接 角 触可的变 性呻 】 据 我们所
知
仍没 有 述 电描 润 驱 动 浸微 的滴动力学 模水 型有
些 研究 组 试图通过 热力 和 电动学 力 学 的势能
卜应 用解 释来外加 电场 改 接触 变角 的 根 基源 于‘ ‘‘的 分 析考 了察镀于 接地 电极 等,
透 压渗 的 平 衡入引 解 电液微 的分析滴而 忽 略 毛 细压的 献贡目 仍前 然缺少在加外势 对下绝 缘 层表 电面解,
液
滴微的 完整 描 述这一 描述 应该 包 括 电双 层作 用
,
,应
力,
离分压 强 和毛 细 压
和
这
种 描 述引 至
出、一
少
两 种量级 相 当 的 度 尺长度
图有插铂 丝 氧的负电 极组 成的 基底外加 电 压
出楔的边 二
。微 滴位
于,
特 氛隆获 。
疏 水
层
和,
,
‘
聚或酞亚 胺绝 缘层 利灵帕授 复制 版权
, ,权
,
锢
一
锑计算
厚
的 护完 全导电 液体 的表 面 菏电密
度
】获 权复制
授版
权
」
微
滴在
拼
下
的 侧 视 图 图 中标 尺 聚长四 氛 烯乙表 面外加 场电 接触 线 附近 光的亮是 由 于空气 离电‘ 、 显 光波示长 定 于决大 气 中 气体的 分成 在并小 持续时间 于内激发 的获等 【 授权复” 制
分
光 测镜 夹量 在极电阵
和列 透明盖 板 间的微之滴于 由浸 润电 而分离 外加电 压权
・
,
隙间
户
宽,
液
体体积
川
获
。
等
〔授
权复 制
,
版
1 949-2010C ihn Aacadmic eJuroan Ellectrnoi Puclibhsng Houise.Al lrihts grseevedr
.
htp://wwt.wcki.nnte
通过表面
剪切 应 力 制
动由于 表 温 度 热 毛面 流 细化学 成
分,
膜的 形 和状 度 速分 布与化简的 润滑分 析未 虑 毛考细
压 和 接触线 的作用 相比 较 计 出算沿 平 向板 的 平
上均
流 速度动为
,
叮一川一
川 这实与 结
验
,
流动 或 电荷密度电 毛细 流 的 均不匀性 液
面 会出 界现 面张 力 梯度
吮
液界
果
符合 得 好很通
过 化学 处 理 表面 致导 热毛细 流 动的能 力提 供
这
将 产生驱 液体
使
二流向 更高 界 张面 力 区域 的剪 切应 力
界面 形 和 速状、
一 种了 强有力 的 流 控技 术 输 送方 法
以通 过可 入
嵌
度 布分决定 于
一程 和方热 量 对
,
小质
量 基底 微加的 器 或热 从 方 上 施加 辐的射 热加的 方式
来
及 荷传电输 方 的祸程
合
。,
数
、
小
。
数且
小 数 比
也方
生产 梯度
热
“
,
,“
恤
等
考察 了牛 顿 流
几何尺 寸 比 的 微 尺 流度动
,
数和
随体着 温线度性 低降从小 储液 池流 中入可 浸 微润 条带的 水平 热毛 细 动流 最 其 薄大厚膜度 处 中 线心处
的 无 量 纲方 为
程口二二
,
较小
沿 薄 膜 度厚的 温 度变化 可 以 略 忽于是
程 和 热传 方导 程祸 流 动 解 剖面或 形 状只 单简 决的定
于 在加基 底的温度 分 布由 于当地 的表 活面性 或 表
,
、
面
甲
口
二
二
了
作
代二
电
荷浓度 流与 速动度 相 关 所 以表 面化学 分成 电荷或
,
二二
口
屯
一
拜
一二二, 刊昌
七口
一 拼
一
屯
口
一
丫
度 不密 均 匀性 导致 的
不 可能 解祸必 须
、把、
流动 方的 程 一 般组方程
与 表 面 活 性 剂沿 面界 和
晶子 豁 晶杀
程 的 第
第和第
・‘,
相 液对流的扩散方 程面 表张 与力表 浓面 相度 关 状的态方
程描 述 面界与 液 体质 量交换的吸 附与 解 吸 方
附 结程合 起 来 同时 求解 由于这 个 原 因涉及 中 性或 带,
其 中 动 守 和风幼是 位 置决 的表定 面 张力 和猫 度方 项 代 表 毛 细热力 致导的纵 “向轴 流 量
代项 表横 轴 如
第
。。
, 荷电 的 性活表 面 传的 输问题 是 非常难 于 分 析和 控
制
中节的 抛 物 线横截这里
,
的
热毛 细 力 应 致导的 微流 动 在
‘
面 和 纵 轴 界面 率曲导 致 的 小 较流 量 贡的
献分 别用
一‘
”
“。
和。
来 对流向 和 向展的
加 ,
坐标 无 量 化纲“
,
中其
。
,“
川
。
户,
对
流 验实
中,
先
首下
标
表
示 带 进条 口位 置石
二处
的 数参
值另
一 观 到 察了 膜液倾 于 向 基朝底 温较度 低 的一侧铺 展
“
个参数
处 特理征尺度
。表
征 了决 无定
限 宽液膜 移动
表面
和论 了 讨 似类液 体 的 迁移 导 致的 合挥混发
前
沿 附 近毛细 变 形 纵向伸展 的 力 动学 度
的 尺争竞
液
的 蒸 发 使 表面 张力 如 何发生 变 化 他设 计 了 个一 对照 实验 来 观 察 沿 膜 薄表面 定给温 变度化 起引 的 薄
膜在很宽 参
范 数围内 实 的
验测量 值 方与程八
与的数 值
符合解得 好 ’很
,
极 限当
高
度 的空 变间 化在 润 滑 极 限内且 不 考 虑 细 压 毛
,他
升
即。 化 各 学同向性 表面
热毛 铺细展形 成 的
,
推 导出 在 定 条常 件下 热毛 力与细 静 水压力 平衡 的 速度分布
,薄
膜 经将 前 进 历前 沿的 细 脊导毛 的 指致纹
式不 定性稳 这 脊种 部状是 线 不性稳 定 图
的
即
并导
四其中
况,
的
、
一尹
加
甲
致 了图
入
‘
、
、
所
示的特 征 样
,图
,
其
波中长
对 能 量耗 散 率 的 析分显 示 指纹 式 不稳 性
定 咭 稳 不性 定相结 合 的
,
之
确定气 液界 面位的 置 满足 程方
对
液 浅 的情池
是 尖由 较端 高的 流 流 体动 性 与毛 细 部脊 大 曲率相 关 的
生,‘
,
‘
’
相应
的薄 的膜 形
状
甲一
司
结果
具对
有 构结表 面 的 铺展
当,
入时这 种 不 稳定性 不 会 发
于是
△
,、
估
计
,
温当度 差 时
,
△
相
,应
于
是 毛热 细流 为 流 动 制控 供 了 提 一 可种靠 的
方 户拼
守厚
的 水平 膜液低
法 也
可以 被用 于 小 颗 或粒生 物料 的对 材流中 在技
温 侧 的一 面液 将高
升尽
存 管在 着 趣 有的
例术
应 用上 这 种 输传方式 的吸引 人的 征特是 其 驱 动
,
,
外
“
,
大多数 液 体满
足“
力 只决 于 外加 定温度 的 差 值 而 绝非对 值 所 以可以
,
和
感兴 趣 于解释 被称 超为 新 月形
通过降低 总 运行 温 来 度 小减液膜 的 蒸发 或 物材料
液 生膜即 液 爬膜升 高 度 过 平 衡 超 细长毛 的度来 源
热的 损
固耗 体 面 表 微滴 的 制 热
动 他们考 了察承受 温 度着线 性 降低 即 恒 定的 热 毛 细 力
应二
吮口
・
的
垂直 置放 浸可 润 平板 上不 可
用 毛热细 力 动驱 小 微滴 需 要 部分浸润 表 面 阻来止 成微滴形前锋 陌或 膜液 拖曳而 造 的 成 叉交污 染
发挥 膜 薄 的自 发铺 展他 把们用干 涉 测仪 量 到得的 液
1994-20 0 C1hia nAadcmic eJuonral Eletrocni PculibhsingH osue.Al rlihgstr serveed.
htp:t//ww.wckin.ne
t把 平滑 且均 匀 各 向同
,
性为
免避 滞 效迟
应
面从
可表 浸润 转 化 成部 分浸润 可 利用 的表 面 处理 术技有很
时较大
热梯的度 于微是 的滴度取速 于决移
系数 这个系数极难通实验过测量
而,
对
限滑 管如尽此不 少 研究小组 通 过实 和 验 理考论 察了
恒热 毛 定应细力下 二 维 滴 的润微极滑限进 行完整
的了水力动学分
热析 细毛力 驱 动微滴 的 运动
分析 学渐化 表 变 面见第 述 存 在 着节
,
“
,
‘
, “‘一
他
假设取 决于 接 角触的接 线速
,触
研究 了 小 热梯度驱动 二 的微 维滴 运的
节
动。
一
个 类似 于 依
据
度由
液对 角
一一
和
一
得 出并
,
节 的
平 衡 力 用 被描
来,
边 固 使界用
滑 移 条
件
,
他
的 定状常
态和
、 空 间变化 的 微滴运 动,
解
表明 滴微 内 的热毛 细 回 流 影响了前进 和 后 退触
丫 乞
接
每 个界 面 上 驱动 力 相对的 强
度,
微
滴可 以朝 向或 背
,
等
考 了 附察 着 部在分 浸 圆润柱 形 纤
,
基 离底的 低温 端 运 动接当触角 的 迟 效滞 应被 明 地 显引 模 型入 时给 定 在毛 热细应 力作 用 下只 有
大 于临 半界径 的微 才滴 能 运 可动不 考虑
、,
维轴对 的链称 烃微 热毛细 滴 移 迁微滴位 与时置间函
关数 系 实验的结 与 不果考 虑 细 压 毛 和 接角触迟滞现 象 的简单 模 型 进 行较 但比 此模 型 括包了原 先 型模
,未
吮。
的
变化热半
三
大 于径临 值 界
和时外 加 热 梯度
,
流
运 体动的 速度 随着 微
线 性滴 增加这 个 测预 被
考下虑 勃的性 随温 度的变化
,
等
、叩
最近 测量 了
滴在 微部分 浸 表 面润 运动的脱 力钉
俪
等
述
验实 所 证
实三“
川
时 让 硅油微滴
和最小 微 滴径半以及 微 滴速 度与 半径 热 度梯 和
液
丛
片。
‘
镀有在十烷 基六三 硅氯 烷膜的 硅 晶 和 上‘运 动在他滑
条件移解除 了触 线接,
体
性物参数的关 系其 结果 与
和
的非恒定 热毛 细应 力 型符模合 得很 把 好具 有化 学设 路定 径热 毛细 推的进 大 的但局
,
与们 的 模 中通 过 型引
处 入应的 奇力异性 还 考 察了允 表面变许 形 超 圆过 柱冠
部
化 的 梯热度结 合 起来 以可 现实更 高滴 速微 度更
,和
图
拼。△ 部 分浸润 带上条 二 烷十滴微的热毛细 分 离 的图片序 列、二 施加嵌入 在的 加微 器 电热 拼 阻、 】巧卿 上 的 压电是 热 毛 细力驱动十 二烷 徽滴 的图 序片 列叉 的阴交 影条 带表示 分部 浸 区 润域 二。‘。 、 、 “ △“。、 △、。 二十 微 滴烷 过转 热角 毛 细力导 的 致硅 膜油前 沿 化 以在
,
、,
。
一
拜
学 各
向同 性 底基上
入勺
硅 晶片
前
进 的指 纹式 稳定不性 的发 展
外
加剪 切 应
力
二
。
,
么
,
不稳 定 波长
好 的方 性向控 制 液体
图
以,
川
最近使 嵌 用
于璃 玻基 的 可底电子 寻 址 微的加热 器 阵 列 驱 来 动种
各包 括水 微的 滴 沿 部分 润浸 微 条带 网络 运 动 这
主 动种 制 控 允许按 照各 种流 动 控 操制作
加热 器 阵列的提 供的 流和向展 温向度 梯 度 可以 应用 微 于 度 尺几 何 形 图 下 有的效 掺 混等
也 考 了察具 微 结有 基构底 上 热 毛 流细 中 动 对的 流
质传为 微了尺 度 器件 的 中 可应能 用考察了
种, 要
一重
要求激 不活 同 热的分
布微
加 热器相 激继活 被 用 于
图
的 混、 机合理 基 于 扩 纯散 力动 模学
,
,拟
由一 处
到 另一处 传 输微 图 膜滴在 热 点处 破
,裂
由于
图液,
剪切 增强 扩 散 和 几
利
用一
弥散
齿 锯 的 状温 分度 可 以 将 微 滴 布
或应力 流 动 的驱动
,
液
膜 分流裂 成 一 连更串 小 的微 图
滴
同 的 样原理 可 以 用 来捕 捉 释或 冷放 处 点微的滴 可 用 来以 触 发或 终 特 殊止 位置 的 化学 反应
也
与 热 毛细 驱动相 反 通 过 变 液改膜的 表 面 化学
分 来成操 作 固体基 底上 的微 滴 运 动 更困 难 尽管 此如
可 寻
址
19492-10 0Chin aAcdaeim Jcuoral nElcetonrciP ubilsing Houshe.A l lrgihs rteesrvde.
thtp/:w/w.cnki.wet
n膜或 液离散液 可 以被相主 动 地 进推们 将通 一 过 些验实例 子 简单 回 顾
输 机的
形
,
理
”“
这 一节
,
我
接 近
更低表 面 张力 膜的可 以实现 微 推滴进图 图 吮
二
驱 、传动
给
出十了 六烷
吮
,
微滴沉
积
,
“
被动 流的 动 延 迟 应或效伴随 着 面 表
”活
在
部 分 浸润硅 晶 片 表 面 的聚 二 甲 基 氧 烷
易 混硅 合的 薄 膜 附 近 例 的 子着 了
,随
性
剂输 运 和微滴 或气 在 界泡面 的 吸 产附生 的 状形 变
本节不 做讨论
进
行 验实研 究 两块水平 玻 璃平 板
的 蒸间 馏水 内的 层空气 泡 的迁 移 和 振荡 在 个一 约 的气 泡大 近附 加施流 为量 几”
液膜 铺
展 接 近 十六 微 烷 微 滴 将 滴 被‘ 道报 应力 推动向 前等 应 力起引的 连 在 接 两个 表 面 固定不 动
拼、
酒的精 导流
,致
的 双
脂 泡 直径层
之
间 的一 个 双 脂 纳米
层 泡 向气酒精 头 源运 动并 以
越大引起 荡 的振频 率越 高
、的
周期振
荡,
流
,
量 管 中径
薄直膜 力
张,
、
的流 动 个 单脂 泡 球从 形
到由
动 量守
恒
朝 更 高向
应
力 球椭 的形机械变 形 用更 高 的 比 表 积面表 征 及 加 增的引 起脂 分
子 过通纳 管 米内 未 从变 形 一的
表 张面 力更 少 的 酒精 处的
导致
过
通
气 泡 相向
反 方 向的运动 酒 精浓度高 的方
向
流 向侧 形 变的 一 侧见
图
图、
表面 镀有 二十烷 基 三敏 硅 烷镀 膜硅 的 片上晶铺 展 的
挥发可 和,
液
膜不 可 发挥 在‘
,,
叭,
,
驱 拼 动十六的 烷微
。滴。
煞,
二
, 拌
二二
,,
和
时刻记录 的 光 学 干涉 图 宽
片
升
尚未 、 表
发拌
图示 为 两基个 底 定固 的由双脂层 米纳管 直 径
个两纤碳维 被用 使脂泡
来
“连
表 接面 张力 ,
几
的双 脂层 泡 直 径 获
、
’, 变 形为椭 形 球从 而增加该 脂 泡 的 表 面 张 力
推测 被
认
为 入引示
输 运的 图 片序列
应
力 动 驱所存脂质 的流使 系统 动 复 恢 平
衡长
双拼脂 层纳米 管 内小脂质
黑体色箭 头 所
等
‘
授权 复制
,
权
」版
微在 流 控器 件 的 应 用中表 面 力梯度 张能 自 增发
例大如 微滴 的分 裂在 或 并合 中样 品 的 混合 或化
, ,
,
学
反应 生发 典型 地 不 同 液 相体 接 产 生 的处面 张
表力 度梯要比 相 应 热 细毛变 化产 生 梯度 的 得大 多包
常,
表面含 活 材性 的料生 物 液体 积沉 在 更 高吮 值 的液
膜
,上
、可
溶 表性 面活 性 要 剂求 界面吸 性 的剂 散扩系数附 解吸附 运 动 的规 使则表 浓面 度 与 离 相散浓 度 相 所关以 方程 与 离散相 对 流 扩 散程方。 十仲 相祸 合对 面基平 底 上 的薄护 头 膜 流动 液 厚体度 的 变化 由下 式决
定
,,,
会 生产,
应 力致导 膜 液迅速 变 甚 至
了薄 控解制 这 类 流动 基的本 象 是 非现 重常方程
擎
不
一
二
破
裂 此
要因的
渗、
二 一
,
拜
‘井
二 其
泊
, 。
一方和程
通 过
面 张表力对 表 面 性活 浓剂二
节
概述了 在 面界含 表有面 活 性分 并
子
存度剪 切在 应力 的条件下 的 力学热基础其 中 表 张面力
,
简 为化正 比 于面 活表性 分 子的局 部浓 度 除 毛 了细压 ,伙 之 外 推 还 了 切导 向剪 应力 二 二 甲由 下 方程 以给表 面活 性 剂 的 表面 浓 ‘ 出度
,
【 【 的依 赖关 与系 面 表 速度 护饰川 合到祸 一起
的主动控制 强 ,
加
叭一
对
微 滴 运 速动 度 固或体 颗粒 在 薄 液膜 中 的 对 流
可 以 过 对
通
,
。、
・
,
,的
电的化学调 制 来
,增
,
,
通 过 调
整 含 活跃 氧 化 原还 团基的可 溶性 表 面 活
剂性 的活动状态 深
滴沿只 需施要加
于 加薄 水 相膜反 两 的 个极电 上的 叭
擎
,。
二
,
二。
二
。
、
。
一,
二
艺
电压 可 以
用来 调 制
一
图一
向个列 液 型 微晶
一
膜对水
流,
面表活 性剂的 通 取 决 于量表 面 度 的速
切 向分量
二 一。。
・的
电 差压
△勿
,
。
,
面界 平均 率
曲。
・
。
和面表活
时
,
运
速度动可 到达
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h
tpt/:w/w.cnki.wnt
e
液晶徽图在含表滴面电 活 剂性的 水性 膜液 上对 流的延 照时片 ‘ 铂电 极上 获 授复制权版 」
,权
二 之△
,
电的 差 势施 被加于 所 轨道 东端 示 南端末的和含光敏 氮偶的水溶苯性 溶 液
,, ,
滴的光微激发毛 细 释 以至 于放不 支撑 微能 的重 盘
滴驱动 的 验实装 里 根两铂 电极
已
获 权授文 献由
在紫外
光照 明后 个两滴微的表面张力降 低个垂 放直置的玻璃 细 毛管尖上的 微 滴列 】阵复 版制权 滴毛 细 小
,
徽径
被
夹 铜的水 微滴银被置在放玻璃 察观 器容
限制在
长
有
装”
内
应对于 电流
。
,
和 液 溶的璃容玻器时 的 滴微状
形
内 初始直】
用
紫光 照外 含 光 敏射活 性 剂水 的溶 液体 液动的
,
率先 述 了外描 电场加下 水 微 滴银在
解 电 液中的 运动
、
图力
学表 张面 力 以达 可到同 样大的 化 变 如图图
、
图出给 中径半
所为示
,
过 紫通外光 对微选滴择 性 射照
,,
的 实
验 装置及 随 电流增 加 观 到 微察 滴状形 的
显著 变形
可 触以微滴发 从 垂 阵放 列中释 放
这种释
放不 是由
出提了 弱电场
效
应 起 引的而 是 紫 外 光 照 射 后表面张 力 减骤 引 起的 而 从使
的 理 想,可 极 化 球状 液 金 属微态 滴迁 移 速 度 的一 阶
。
数
,吮
增
大 并超 过微滴
,
模
微型 的 速 度滴估被 计
。
为脱 落的临界值 尽管如 照 度此的 间空调 制 以可提
拼
,
‘
供
作为 时 和 空 间间函 的 主 数 调制 动的
力这 种概念 可 以 扩被展 到 以 类 似第
应
节中 描 述 的
中 浅其, 和
拼
分
别是 电解 液和 液态 属金 的翁
度
,,
技
对微术 滴 动或浮驱 颗 动粒的 驱
动毛 电细和 化学电
为
解 液电 的 导电率 这 个速 度 比固 颗 体粒的 电 泳制动的 征 特速 要 大度 个几 量级 对 固 体颗 粒液体的 流动,
薪 运性 动在 双电 层厚 度
界 面
的 处学 化应 反可 以致导 面 界 力张 的变化
滴微
,
内减 然而 对液态衰 金属 速度场 保 持 微在滴 半径 距的 离 从 流 动而
,
,
管尽要 控 制 种 现象这 非 常困难 ‘
和
性
增 大 了
倍
这种 驱 动 法 并方仅 非 于限 解液
的电乳 状微滴 的速 度以 。
、 ‘
描 了 述 可与 溶 重 的铬钾 晶 酸溶 液 体
相中
的水 银滴微。
电导 率
户。为
混合 的 酸 性解 电液中 水 银的微滴 发 生 规 则不运 和动 把
一 个 水小微 银振动在 一个 实 验
同样 的 方 式 中由 下式 给 出
户【。
,
、
滴放
在 充满稀 硫 的玻 璃毛 细酸 管 的中 央当 毛 细管
端 一小
,的
‘晶体中扩散 的出
子离子 运 动
中
其需银
、
一
到
了 管 的央时 水中 银微 滴 始朝 晶开 体运动 这 种
运动 由于是扩 散 离 子使水银 氧 导 致化
的 银微 的滴何任 运动 或 振都动 止停了
,
对 乳小状 液 电导率 ‘,
时
近似 成
立于基
仅守
,
减 小的
,
和
空间 非 各向同 性 通过 搅 动使离子 度浓 匀均后 水
电压
就可 以 生 产 解 电制 液 的能 力
动 等币
量级微 滴速 度 的 由水此 建 了一
构
感
个连 续浸 润 系电
统到
度 梯浓 度下 微 滴的 迁移 原与始 生 的物运 惊人动 地相
似并对 系统 此 产生了浓 厚 的 趣 他兴对 毛 压和
细
结束
语微流 技控 术不 是 一 的单领域
, ,
玻璃表
面 水 银 触接角 的变 导 化致的 运 提动出 了 一 简 单个的 理 论模 型
,,
但 略 忽
了
力应
尽
管
更 应该说 面对
它
如 这 此 类驱 方 动对 流动 法的应 仍用待 有于进 一 步研
不 的应用同要 需 同的不解方 法决本 文绍 了一 介 可 些用 的法 利方 正 应力 和 剪用 切 应力 在 匀均 或具有结 构 的表面上 进 行 控流操 作 自和由 表流面的 控 制随 着 面 积
究
第
节
中描 述现 象的,
,起
于 电产因 生 正
的而然一
力应改 变 了 解电 液 微 滴的 平 衡形 状
外部,
电
体 和 积比的 加增
,
微滴 和 薄液膜 的动力 学 建 了构
,
场 能既产 生 正应力 能 也 生 产 致 液 变 化导 进 而 并 产 流生动 的切 应 向
液力界面 张力
一
系 列对 边 界 用 作 和 表面 敏力感 的动 边 流界 动与 接
线触的 运 动 相关 的边 界 现 象 接 触 角迟 滞 现象动接
9914201-0 hiCn Acaaedim JocrualnE ectrolin cPublisihngHo us. eAllr ihtg seserverd
htt.://wpw.cwnik.en
t
触角 分离压 力 张线力和 移滑需要 在 分 子尺 度解,
,
化学
处理 表 面 的液 膜 沉 积可 以 通 以 恒 过定 度速将 基 底 从 液 池 处 出来拖实 现 小 的对
,,
决 并
且与 连续介 质流体 动力 模学型 合祸目 前祸
合,,
数拖 动
带,
分
子 动 力与学,
一
方 程
拟 模的 混 合 的法方 在被
正
“
”
考察 提以 从微 观供到介 观尺 对 度 表 作用 面精的确 描 述
,
‘可 有 浸润 微 条 的带 基 将底 出特拖 厚征度在 微 量米级 ‘ 的 液 膜 ’略 忽重 力液效 应排液带 无 量 纲 中心 线高 度 司万的控 制 方程 为二。
一
‘
对 分 子
行为 的 验实研 究 需 要在 小更尺 度上 有 合 的度量 适 法方
,
很 表多面 科 学 的高 分 率工辨具 都
,要
「
沪
・万
二
于一
真求空条 件 但 这 与 数多 体液的参 与 不 容 相 有现的 度
技术量更适 合 于 究薄研 膜 不而是 高 深 比表宽 面 的
尺小度 构结 而减小的 相互作 用体 积 也 将 著显降低信 水号 平这 种实上验的 困 难 使 得发 展 和用 高 采 辨
分
,澎
’
护万
于 去 ,
二
。
‘
撇
“
一 一 峪,
一
于寻〔 一 劫〔 、 、、 一
,
护
一
、
这里
,是
量 为级
,
的
常数
是
远液 池 离的 液
膜
,拖
带厚 度
是可浸润 条 带的宽 度
,
表 流代向的特
,征长度 尺
度这
随
个线
性 小减的长 度 尺 度
静由《
,率
术技探 测 液在 经体过 理 处表面 上 的 构造和 动力学
行 为成为 必 要
态 新 月形 曲弯液 面区域 的 率曲 半径 决
定
者或 与可 润浸微 条 带上 液体 平 的 衡 细 升毛 高尺度 相 ,
出于
这 原个因 微 控流术领技域 是 流体 学力 发
展最中迅 速的 领 之 域 一由微制 造水 力学 和 动物理 化、
当
。图
因
此
,
流
和 向横 向长的度 分 别
、以
,
和 汇 集学产 的这生 种 协 作 为多 学 交科 叉的 学科进 步 提,
无 量来纲 当 项化引 出 动力 尺 度学
时,
、 。
‘。
程方 等号右 边的 ”这 个 方程与 各 向、
供 了
人令兴 奋 的 机
遇谢 致者作谢感,
,
同
性基底 上 拖 带的 液 膜厚度 的表 式达
护
,
”
凡和
,
有显 的区别明’
成,
,
并
且 预 测 了常 非薄 液带 的 形
哪
的
金 资支
附持 化录 学理处基 底的 漫入 镀 膜
并
与实 验 结果 证 了实拖 厚 带 度 的衰 指减数 成 线 性关 ’系‘液 沉体 积 经在 化学 处 理 带 带宽度条
,
有 纹理 基 底的 上‘ 列‘
,
经已被 用于制 造微 透 镜 和胶 体
阵魏
之
山日
山拜・
,
拼
一。
,
图
用使的平 衡 毛 细 升 高拖 直带 速度
〕
、拟 模修饰于 疏基底水来 自甘 油 液池 的储 孤立 亲条水
带的 亲条带水
户
二
上拌甘油
上 拖 带
膜 液厚的度
、相对 于垂
的测
量 结 【果
参 考 文 献
,
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了
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夕
,
通,
色
,
七
,
、,
,
、
,
、
一 肠
丑, ,
乞 ,爪人
,、
入往爪
,
,
泣 、
。葱
,,
一・
亡
,
几
,
,
,、
一
、
记, 玩
咖
葱
,
,
1 994-210 C0iha AnadecmciJ ournalE ecltroin cPulbihisngH uos. Ael rilght rseersvd.
eh
tp:t/www/cn.i.kent
,
卜,
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毗
,
、
,
,,
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夕
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,
仰
仇 私坛
,
,
、
、
,,
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杭
葱
,
爪
夕
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,
一,一
口
,,
、
,
,
夕
人 尸,
日,‘
,
,
、召 阳““
,
夕
亡,亡
毗
一
外、
,
,
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葱
升加
,
咖云
,,
、
妙
、
,,
、
即,
,
,
夕
葱
“
山,
,
、
夕
爪几
, ,
肠
刀“
、
, ,
,
陀
,
,
、
,
,
升
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昭
尸
人
七
,
脚,
、
,
旅
阴亡 仇阳
夕
,
,
“
一,
、即
几
夕仁 爪公
,
、
,
场
, 仰,
妙
夕 云 ,
,
杜爪葱
几
,
, 、
,、
,
,
,
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饰,
,
妙
矛落阳
爪,
,
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匆
,
亡,
,
,
、
夕
云,
,
百
,
、
、
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,,
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、
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、、
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,,
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,
、
,,
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,,
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七
,
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、
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夕
‘
几
,
,
、
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、
几吕
几几,
,
呱
叭
,
,
、
认
且
三几几
罗
夕,
,
爪,
,
、
尸人,
含
,
,
,
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几夕
爪
且
,通
,
汇
,
,
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,
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,
葱
坛
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,
,
、
一
,
、
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几,
,
199-4200 C1ina Ahcadmec JourianlE eltcorincPu blishign Huso. ell rights Aersrvee.d
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、
,
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乞
,
,
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,
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几
一
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二
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二
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,
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,,
、
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,,
,
,
、
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中 国科 院学 力 学 究研所
郑, ,
旭
译
泛
即,之
夕
,
、
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。
乞、
,
,
、
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,
,
中
国科 学院 力 学 研究所 李 战华
清
华 大 学 工程力学 系 朱克勤 校
肠
,
,
,
,
,
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・
、
一毛
,,
,
,
,
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1
949-0102 Cina AchdaeicmJ ornual lEetcrnic ouPlbisihng Hoseu Al. riglhs rtseered.v
thtp://wwwcn.ki.nt
e
第
卷
第 期
月年日
力
学
进
展
表面 力应调 制 微 流 的技 术控 的 动驱 理原, ,
,
,’
摘
要
发
展 和优 化 对薄膜
、
滴液和 气 泡 进行 流动制控操 作的 功多 能 装
,置
要 求 深入了 解界 面 现象 和 流 体 微 力
数 强 动烈受 边地界 效 影应
,
响、
学
流动表面积
体 积的 大 比值 和 低雷诺 数流 动是此类 系 的特 统点毛 细数
和,
因
而可 以 通 各 过 表 面种处 理 和 面 表力进 行来 控
本 制 综文述了运 用调 制 向或法切 向 应 对力 匀 均的带 学 处 化 条纹理
及拓扑 结 构 理 表 面纹上 的微滴 和 液 膜 行进驱 动 常的用 技术的基 原本理
纹 理 面
关健 词
微 表控流 技术
,
力应
,
热
细 毛流
,,
微 滴
驱
动
,微 结 构化流动
引言
年 来对 同时驱 动 不同体液通 过 自可各寻 址 通 道 微流控 器 件 的的 商 兴 趣业显 著增 长 ‘ 种
,
这
封或 降低 运行 温度 来减 少 了 驱除 动 机 点理 是开 发廉
价、
,
当前
的靛,
用 且 便耐于 带 携 器 件 的需要
,
近大
开 发 优化和 基于 由 自 面 流 的表 控 流 器件
对
界面 现象及 表面能 调 制 影的响 有 基本 的了 解 部 分 界面 现 在
,
象 行并的 操作加 速 对了少 量液 体样 的品 自动合 成和 析分显 著 减 少地 了 剂 的试 体积 和成本 广 泛 使用价 廉,
世 纪
末就有 了 性 定 的解释
然
而 直到 现 在对 不 少 系统仍 缺 乏然 量定的 描
述目
前对
的
人工 高 聚加 物 工表面 结 构及 封装的 硅 加工 工 艺和
该 题 主的兴 趣 集在 中对 小尺 度统 系的 离散 或 连续
的观微控 制, ,
技术的进 展
列
、、
,
器 给件制 造带来 了 好处
,微
流微阵
、
随
着 对 基 底的化 学和 几 何 成 型 新 技 术 的
、 器 控件 被 正 于用多种 应用 域领
、、
比
如发展 如 光刻 可选 择 材 沉 积料与 刻 蚀 或者 面微
,
表药
物示 踪 光 显学示 技 可术 调 制 光导 维 半纤导体 器件 和激 光 热的 制 控临床 法与医 分 析 环和境 监控
大 多等 数微 控流器 件产 生 过通 玻 璃或 微硅 通道的
加
工 等 验实的能 力得 到了极 大 的扩 展集 成化 的
微传
感器 和 探 器 也测 进 了这促些 器件 的使
用 为预了 测 滴微或 液 膜 形的 状和 度
速
,要对需
影内流
是利 用 电渗 理原
、电
一
水 动 学
力、
磁
一
,
水响
三 相 接 触 线 展 发 力 的给出精 确 的 模 型这 必 须 考一 ‘ 接触角 迟的虑 动接 触 角与静接触 角 的 不 同
,
动 学
力
’
、离
心效应
或者
压力梯 度
然而
滞现
一
象
,,
线张力
,,
及 以 无 移滑 件导致条
基 于表 面 应力 的 驱 动机理 对 总是具 表有 面 大 比积 值微 系 统 的的 由自面 动流特 别有 效 ‘ 润“介 电泳 热 细 【 和毛
,
体
应积
的应力 奇 异 性
户 张线力 只 在 系统 尺 寸小 于
通, 过 浸
时电畔
作
用 显明
在 微尺 度 动流中常
常
,
、
,
被忽、略
而迟 现 滞极象 大 地影 响微 滴运 动 、
因
,
为
力
控 液制
一
液
或
液
一固 边界 的调制 经已有 了 成
需要一 个临 界力 来 克 由 于服 学化的 进接 触角
必 大 于 须一个最 小 值夕 ,
形
貌 的或吸
功的 例 子 基 于 流 外的系 统 的两 个 显 优著 点是可 以
接 直接触 体 液样 和品减 少 液 固 接触面 积 以减 少 固 壁上 的摩擦力 其 主要缺 是点蒸 损失 发这 可以 通 密过
,
缺附 陷致导 的接 线 触不 连续 当接 触线运 动 动时前
而 九要 于大静
接触角
。 ,
也就
是 说
七
。
同样 后动退
,
收稿接日 期
序
允惠 版权翻 圣 文此
,
,
,、
十
一
199-20401C hniaA cdemaci ouJrnl aElcteonircP buishiln goHue.sA l rlihgt sreersved.
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角必 触须足满,
奴
三
,。
,
’
对
于二 维 以的速度
一
算化
处学 理表 面 上徽 滴形的
状表
征 运在动接 线触 上 不的可 积 力奇应异 性 必 须 由滑移 条件 这 里通 在接过 线 触 上发 或浓 蒸缩 形来消除 阳 , 抓
,
动运 的滴微其 迟性 由滞 以
虑 一 考个位 于平坦 且 学均化匀面底 的上 征特尺 寸为
给
出。
成
中间 层或 由 于 吸附形成 一层分 子 薄膜 其滑 速移度 与地当剪 率切 成 比例 阵 最 分近子 力学动 模
, 拟 ,
,
的部 分 润浸微滴 假其设形 状 为球 冠状 可以。
,
,
吮
、
,
对
或口等 价为、
,
被用来 探索滑 移长 的度源根 和动学力响
应 而 这些结 果 未尚融 连入 模 型续
一降
,
然
吮了
。
为毛 细长 度 一 般
,
液体 静,
压
使力滴微形 状 更扁 平为且 顶 点其 是高体 积 的 单非、
本 综述文了利 用法向 和 切向 应对 力均匀
的
化,
调数函 畔,
不 考 蒸发 虑和 合成作用 这 些特 征是 稳
定
学 , 理处条 或纹带 微 构结 纹 理 面 表上 体驱流动 的 物理机 理 如果 何几深 宽 比 ‘ 足满 。动 叼
句力学 比 足满・
的相 如反果接 线触可 以 自运由 液动体细长 带在上 和 形 状的 弥散 承 要 受 不稳性定。
。
,
。雷 诺数为 大数 多流 可动, ,
等
分 牌别用体流动 学 力析 和 分能量最小 ,
, 用以 润滑近 似 来 研 究 即
这
里 没既 包 有对 电括动现
、
化 理 分论 析考察 各了 边 种界 件
条下 无 长限 液 细 的带接 触线的 线性稳定性 对于 固接触定 线当若 液 带对 液带 是 无 条 件稳定的
,
, 象描的 述如 介 电
多泳 流
相
,、
也 , 不 括包粒子 或微 滴 受电 力 的体迁移 此 涉外 及分 子 间 作 用 力 张线力
, 、
、
蒸发
与隔
离 尺微度 混 合现 象在第
,
以及 器
纵 向波
数
为
的干 扰线 性 稳
定和
,足
【
满,
件
制 相造关 的题本 问 也 未文 予考 虑
节
第和节 和
为稳
定曲率半径
通 过量能
节, 们考 我察 了毛 细力 对 化学 或 形 貌改 的表 面 的
变 最小化 考察 来空了 楔 或 心心 环空和 椭 圆 筒内 的液 的稳带 性定对 给基底 定 几何形 和状接 触 角 和液体
横液膜 和
微滴 的静 力学及 动学力 性 的影特 响第 第 致 节 于力讨 论 液
一液
液
或
一固
界面 表 的 张面力
截 面
积 成增递函 数的未扰动 弯曲 面 液 压 保 力 证了 其
定性稳现今 充分 展 的表发 处面 技 理术 以可 金 硅把和 玻、
的化变对 液 体 动 驱 的用
作静态 细 毛现 象静
止在平 坦 固 体 表 面 并 处 可于忽 略密度的 空气 环
境下的
,,
、
璃等表 面处 理 成 混 合浸 润 的性区 域 例 如 通 选过择性吸
附组自 装的 单分 子层烷基 硫 醇者或 硅氯 分烷 子,
表面能 可被 以改变
全化 镀氟 的膜临 表界 面
张,
,
有具恒定 容积
的
等 微 滴温的 平衡 形
,状,
力 是可 测 出 的结 中最 低果 的【,
滴水在 光滑 坦 平的”
决二定这 包 来括城 功 由最其小 总的 由能 自一 和线 的所 有力 贡献 这里 是 相液内 体 自力 力 面吮 的飞 总 压表面 的贡 献由吮 给出
、。
,
氟
化物 镀 膜表 面 形成 的触接角 可 达
二,
没
有膜
镀。
和
镀膜
。
、
域区上 的 接角 触 的 巨大
、
,
差 别 有助
于 把 液膜 微 或滴 限制在 基底 上 易 于 浸 润
的
中 其飞, 和 , 分 人代 表 液别气 气
一
一
、
一
固
液及
部分
如
果 接 触线与分 别用
致
一 ,
,
一和
。 、
来表征 的
区
固
兮
一
边 界之间 的 界面 力 和张接 面触积 一
・,
域
的 界边这 种条件 下
,
乙方程
不 适再用
在
。 方程 门
即确 定了 弯 曲液 界 面气 两侧的 压 力
降 一守,
,,
以取 可介 于氏和 ,
间 的任 何
之表是
,,
征
界面
的 个 当地 主两要 曲 率 半径 在重 力 场 中力
年一
值
值 其的大 小 决 取 液于 体体 和 边界 几 何积形 状 这 会发也 生在沿等 表面 种被 称为边 缘锚 定 作的用 能 平板 之 间的尖 锐 边缘 上
图等 加
在 ,,
的平
衡要 求
为,
四
,
这
里
为
体液密度 的 垂距 直
离、
为
重 力加 速度
为 距 离 固表面体
,
和
等
且
、研 究 了化
学 于对小 斜 倾
和 角表 面 梯
度
。,
二
产
。
各・向异 性 表面 上 液带 微 滴或的 静 态 形 态 描述 了 液在体
“
图
和
即
,
一
川
一
或,
可
以 简化
成
创 功的形 式 川 护
“
十。
是液
,
气
界
的 面部 分 浸润 矩 形条 带表 面的 平 衡形 状随 着 体积 增的
的外法 单 向 向量 在位这 极种 限情 下况毛 细 压可
以
微 滴 沿时 条 带 的着 向方伸
,
长
而当
简化
成
接角 确触
定。,
的
一 沪叼
, 三相边界的 、
由
,矛
、‘ 条件吮
一
吮
、和
时
微 滴 在条带 的 侧 凸 两 起 田现发对 于足 够 大 的 体积
二只
有 在
在
文 中 不本可 浸润指
可 完 全润指浸
,
夕
。
,部 分
浸 指润
, ,
、
且
、
全
,
上 液 的 体 状形 的 算 会计 及 到 复 杂 的 解涉 析 表 述而,
一
般
而言 纹 理面
然
表
能 形成 本恒 基定 面 截积 伸的 液长
带
条件 下 观才 灿】
等形成的
,
察到 足 够大体 积 完 全 浸 润的 体液单 个凸 起状 液泡 图,
利用
如‘
等 软件包 可 大 以大 简
此外在 两条可 浸 润 的 条
化
在复杂 表 面或体 积 约 下 束 最的 表 小面能 的数 值 计
相 交 形带 成 拐 的 处角 能 产也生 凸 起 的 泡液
图
19492-001C iha nAcdaemc ioJrunl alecEtrnico Pubislhni goHse. uAll irghstr eseved.
r
htt:p//www.cnikn.t
e
,图
、而对 拐角 的平滑 处 可理以 消除 这 种凸 起
,和
,
‘
计算了 多种有趣 的面
表
,一般 随 着 体 积 的 增 液体加图 图 在具 有化 学 结构的 表 面 上 会承受 突 然 形 状的 抉转
结 的分 构岔 表图 和定极稳限 给 定若表 面 能 面结表 构的 征特尺 寸
,
如图
图
和、
体
积
拼
,,
的滴微
在
拌
砰矩 形
微条带 上 的拟模结 外界果触 角 “ 、 二
内接 触
”角
二蒸汽在
大
约
,拼
宽 的
水微亲 条上带 浓 成 缩的 带
不水 稳定性 不 同 ,
大
于 一 界 体 临积且 授 权 制 复版
,权
时
,
生产 均 匀截从 到 面现出 一 凸单 的起分 岔 这 与
叼
获
,等
〔
】和
液
带流经
拼
的半 长环路 结构的 视 俯等值 线 和图 视 图侧
, ,,
体 聚 集在液拐 附近角
和
户宽液带在 图 拐角 结 的俯构视 和视侧图 带 的宽相 等时 适对 当的 体液积体液状 起可凸以 消除被
口,
。
当“拐圆 角的 内率半曲径 图用中圆表 示 做成与 液
】且 体 的液度高剖 也 面 加 均匀更
示 的所 微条带 的
。
。宽
,
以可 用 于 制 液控 体形状 的
,
使
沿 出现楔连 缺 损 续 以所没 稳有定的 平衡 形状 存
在,
为作 定恒平均 曲 率
的平 衡条 件 结的果 人
,
因
而
不 可 浸 的润 液体
二
用
形 成 则球 冠 液桥状等
网 阐〕明
,
,为
、 、
二
、
,
所
液体 以
也决 定的了控
图
认
识 尖到锐的 边缘 和 阶 台可以 用
如云果
特征 厚 度 的尺 度
尺为 度哪
度长度尺
。
来 限制 体 及液接 触
母 线裂纹 的台阶高 度小 到
制 边界 或 可 不浸润 缺 陷 近 的 液附膜 度 高 降 的 下 向
线横 张力 和分 离 压力 作用 的结 合将 引入 附 加 ,
液体 的 展铺可 以 被 约
一
和束,
的长
度 尺 这度 个尺 度 能改变 学化修 表面饰 的平衡 形
利用
对
二,
方
程的
,,
态
和 稳 定 限
摄动 分极 析 考 了部 察分浸润 液体 在 糙粗面
二表
,
形 成的 微滴 形状
,
如
图
所
二其
拓 有扑 纹理 结构表 面 上的微 滴形
状纹 理表 面 以可分 为 具有尖锐 拐 角 和边 缘以 及 斜和 叫 和 曲率随率位 置 光 滑 变 化 两 类先最 研 了究 在接 触 角 分别 为 对 且称小 开 口 招角一
、
示
,
当
即很 使小的 粗糙 度 幅值
能 导也 致显 著轴对称的 形变微 滴 平 衡中心 的位置 与
双重沟 槽表面 的 局 最部小值 一 通致过 表面 在设 不 可计 浸润 的 缺陷 阵列
图和
的两
平 板 块形
,
或在者 圆柱 阵 呻列可 以
,
成 口
楔 角有内限 体积 的 液体 平的 衡 状形的情 况 下
先
使微滴 形 成 相似 边 多 在 形这些 例 子 中 面表凸 的起
寸尺 比微 滴 直要径 两小 个多 级
由 于量液体
图
不同 体积的 滴微 网在 格 面表形 成 的 平衡形 状 的 值线 等 夕图‘
在
在存 厚
拼着
、
径半
。。 “
斜坡
长拼
琉水 和
的
,
陷缺 的 正 边六 形阵 上列的 油甘平
滑夕
微水滴直 径
【
在
两 块 不 浸 润可 的相 交面 内的 表微滴 形成 液 的
桥基烷乙 酮烯 二 聚 底面物上 的 水滴 获 授 权复
制
和 粗糙 形 系数分
哟二。
版
权 991420-10C hia AcadnemciJou ran llEetrocnciPu bilshin goHus.eAll ri ght sersrvee.
d
htp:t/w/wwc.kin.nt
e 深高 比宽 的 表面纹 理结构可 以 产 超浸 润生 超或 浸非 基 润 底图
大如到、
斌伽
可 忽
图略
所 示表面粗 化糙从
,
川 的
非线性扩 散 方程若 假设 重排 力 液 和 等 等 研瞬 了究型
槽沟内 伸 的展从
俪。
,
,
可 使以水微 滴疏 在水 的 蜡面表 接的触 角
增 ,
液 体
在开 放角 为口的
他们
发、
由 空 于 气 限制被 粗在 糙构结的 空 隙中
, 液 现锋 面 体的 进前具 有 类
的标 度
似
有只一小 部 分撑 支的固 体与液 相 直接 触接对 于 状网
是 液体 固 体接 触与的 积面 分数结 构上 的膜液和 几 与 是空 气 触接
的面 积分 数网
, ,
晰 度】
和
口州,
,
川
‘
,
这里
进 为入沟槽 液的体 高
已 明此 理 证与论 验实沁
是
个一几 何 数 参,和 符 合 得非常
,
好以及
给 出公 式
一
一
‘
最 先报
道
’ 利 相 似用方 法给出 了 关 于水 平
型沟
了疏
水 粉 末性水对 滴微的这 种 作 基用于 样同的 原 荷 叶 与 鸭因子羽 毛 可 以排斥 雨滴 冲 现在 可以 过
,
通槽
内 流动 的更为 详 尽且严 格 分 的
析 毛细 芯吸 作用 与 可 承 受 轴向热通 量 达 通 过热斑 的 减的 管 技 热 术 集成,
同不 材料来人 工 合 被成 为称 超 疏 水 极或端 疏 水 的高 度疏 表水 面哪包括 硅 米纳柱 和呻 镀 有 聚 氟四,
,
来冷弱却高 半 导能体 备设 和 激器光 在更 小 尺 度 的功上效
,
液体
毛细 用
作乙
烯 疏 水 层 的 列碳排纳 管 米
饰己经引 起人们对 碳 米管 纳
或动
力 毛 学细现 象
毛细 压 的力 空 间 化 可 变用 在来 适当距 离 内驱
镀 有 生动物敏 感分 子的 高 分子 纳米 纤 维 成 组的 槽道 兴趣的
可漫润 徽条 带 上的毛 伸 展运细动 开 口管道 的毛 细 用作不 仅 于 凹限液面 陌
小 体
积 液
体这
现种象 一 般 现表在 把 体液吸 入 闭封
或 开 放 的槽
道 及 在倾斜 底 间 微基滴 推进
这 一
我
章
度
标
、,
,
液膜
自发 的 沿宽
《
,侧
依照
的可
们将 综
非 常述 于 微 适 流控应 用的主 动 被动 毛及细 技 术
浸 条 带润 前进
哪等给 出 一个 等温水 考 了察所 示
一
・次
动
力学 模
型
展
,《
制 条限 下件,
,
方 形 储 液池 底 出流 具 小 有 深宽 比液 条体 带的 毛 细
封 闭植扩 中道的 细毛芯 吸 用作
截面在 积为 液
一
如
图一
守
液膜
度
高尸
外
,变化 控
的
。
、周
长 为
的垂
直 毛 细 内
管
,制方
程由
川
」
《
二,
出给,
,
其中
户气
面界时间
随
一亡
进前 位的置
。以
约的一 方程 为般拼
毛 细为 压
此
一
习,
一
。
介
为 位 单度 体 宽积流 量
当
且 远
离液 体 前进 ,
沿 前
,时
为因展 向通 量在 条带 边 沿消 失 为了 精 确 近似, ,
,
即
,
,
、
其 群 是 液体中 毅度,
是 由 管道 几 形何 状 定决 几的是 由 面 张表 力 和
,重
节
何系数 力 衡决定 的最平 平终衡高 度
。
沪
叼 沪二 抛物 线形
。
展 向
面 可剖 认为 是
一
,
,
,,
其中
因
斌,
,
夕
,
是
沿 条 带 中 心 的最线 大 厚
度当
《
。
时,
白
时
通 分 过 和 实验析
此
对 压
力梯 度的主 贡 献要 以可写成
确
定
,守
加
‘比
方程
也
述 描 了微 重 力条件 下液体进入 水 或 平任
意 规方 定向毛 管细 向前的 动 给 运出了 动运期
初进 和口惯性 应效或动 态接触 角修的正 液在 体运 动 前 由弯 曲锋液面 引 起 的毛 细负 压 推液体 动的 进
前即
一
守 护
川 必
沪。
守
。
液
高膜 的演度化方 程 则 退化成 关于 线 性 散扩方 通程过 坐 标变换 。西王 可 以得 到 一个 似 相解侧
,
。
的二
非
。阶
毋
和
二
标
度 是基 于压 梯度力驱 动 动流与 液 柱以 和 这关 事一实 的直 接 论
推
、的
度 无 比长
,其中
较
了等 横截面积 的 形圆 角三形 和 圆 三角 的毛 细形 中管运动 的速 率 现最 发 后 种 一几 何形 状 管 的 道毛中,
一
卜
图
二
合。
户而
从一
‘
,,
。
条 带入
、为
口处
的液膜厚
液
依体照 拭给出 与图
,
侧西万 或 价等
的于 规 律进前
细
润 的浸速率 最大
表沿面 沟 抽 毛 细 的 展
扩出
现 系数
在 台
中 的长 度
名
尺,度 由比
值
合
。
题问中由毛细
径半
度 以速
给
出 不同一
中的 实验 果结 证 实
,液
当,
力
微 观
粗的 糙度 能 著显地增 强 表 面毛 细铺 的展 能 研 究 液了 体沿 半径为 的半 圆 不虑考范德华 力及,
体
前 沿 前 进 足 远够 至以于 流向曲率 可以 忽 略时传 播
形式减 小 对 足 大 够的 液储池 如 同进 口, 、 阳 且 前 进速 高度保持 恒 则定 膜液高度 为
,
完 全形 浸润沟 槽 的中毛 细 上
升液体在
扩 展方 上向润 滑 极 限 内的 表 曲面率度
城
,
膜液
叮厚
度为
这种
系
关
,
二
进 口 高 度 和 特征 尺 度 之 的间。
控 制的方程 退化 成 了关 相 似于 变量
确 立 了 传播速 度 对长 尺 度度
的更
的
强 1994-0102 hCin Aacaemdi Journal Eclecrotnc iPublshingiHou se All. irgtshr esrveed.
thpt:/w/w.wckinnet
.
方 依次关赖系 这 已经 实被 验 实证图
,
相
反
封 管闭 的
,
道
盯方程预 测
、侧
图
为
究等温研 毛 细扩展 的 水储亲池液和有 限 带 条 何 几参数的 意 示图
入 口置位在
二
扩
散 条带无 量纲液
硅 条油带拼
二 二
膜度厚剖 的面 相 似自
解
争,
,
。,
连点线 为 值 解数
拼
,,
实连
线为 近 解析解
似拼
不 同距
离 处 传 速播 度的量 测结果 处测的得播速传与度条宽度
带实
线为 之 间
关系
的
三
拟
合得到 的幂指 律
数距
入口
二
切
实线 两 次实为结果验拟 合的指数律幂 【
低
度厚
时
数,
由于 展
向界 面 曲 率 导 致 压的
,
运力
动
同 样的 理
【
,
道
开放 锥圆管 中的 浸 润 液体 椎 向对毛 管细内壁 部 分镀
,
梯
度 烈强 限 制 多 方了向 的 扩 展 及 镀膜流 动 中 的液
膜 例如 对
沾 湿镀 过 膜程 拖 带中出 的 液 膜厚度 液 体制 在 狭限 条 带窄将急剧 地 小 控减制 长 度 尺度 ” 和 动学 尺力度 护” 详 气万 一刀
见 歹录
毛附细 力 梯压度 推的动 作
用尖
向运 动
膜方使 壁 内 接的触 产角 生 差异
来 研 类究似 的作
由用毛细 管 中两 不种相 且溶表 面 张力 同不的 液 体 的组成
的 双 分组 液 段 图 现表 了相似的 运 规动 律‘ 报道了 在玻璃 毛 细 中管 水二硫 化
碳
一 组双 分 段液 的 自 运发
动
和
即 近最对
毛
管 中考虑液细膜 夹 带 的 组 分双液段 进 行 了 验 实研
与 上
述 自发 的动流不 通同过 表 面 张 力的 别差
,或
究
图
双
分 组 动运要 求 两种体 之 一 液是完 全
者柱液端部界 面 率半曲径 的 不同 可实现以主 式动操
,浸
润的动液 体 运动 的新 月 形弯 曲 完的全 浸润 液 液体 面的 细 压毛差
为△
一 ,
,
作守 最简 单的例 子两 个是 不 行 平的 表面 的间 微滴 以可按 照 规 定的 方 向和 速度 移动 描述 了
三 明 式 夹治在 平滑而 平不行 平 板 间的 浸 润微 滴 运的
一 守
、
其中
守 吮
今
别分表 示 液体
、
体液
的
面 表张
,
力
动
他图 观 察到液 体两 向板 夹 收角缩 端 加 速
为液
体
液体
的
相 互 界面 张
力
图
当
。
。
时
・
,
液
朝 向 远体离 窄缝 隙一 侧 动
运・
在
直径毛
细
管中 乙 烯由 乙二 醇吮 液柱 吮
和油 硅行 获剑桥 大 出学 社版 授 由文 献
权
和组成
的 自驱 动双 组 分 【 复制
和
发呻展了 一 种 用利 微 流控 叭
、
一
斌△
决二
定
,一
拼△
这, 里数常
△
几。
由
器 驱件动 液柱 的小电 子 寻址 方 法柱液 的前 面进和 后退
面
是几 何系数一
由于是
之间的 毛细 压差 ,
,
由埋 在基 底
的 加
热没
触 接角 的迟 滞现象 即 九动所 需的 最 小 温度差
断
护
而 使液
体发 生 运
式 激 活电阻 来 调 整 阻 电 的 度 小宽于 微滴的 长 度
等 阵基 于此热
通毛过 波导 管传 播
有
外部 压 力度 的梯情 况 下温度
差
△前进面 后 退和 面 间 的
之
,的
驱细 动 法方设 计 了 一 种 光子 开关 油 柱 射反
几
一
几决 定了通 过 直 径为
的 柱 液速度
的
的光 在 充 满 液 体的槽 道 被 中热 细毛泵 制 动 的 气泡
或平 毛 细 水管的 长 为
其
满足 式
公1994 2-100Ch ni Aaacedim Jcuonra ElecltonrciPubl siihgn Hose. uAllr ighs retsreedv.
h
tt:p/w/w.cnkwi.ne
t
底基 能
度导梯致 驱的 动
,
以所 液 体薪 在此 表 性达式 中没 有 显明的表 出现 微来 滴 只对 在 施 叽加接触线条件 的 作用
下 运动
过 通 液固 面界的力平 衡
,
利用 基底表化面学 分 的成梯 度或 电浸 润 调 基制 底液 相 固相和之间 界 面 表的 面能 从而 控制微 滴沿 基底
动 的 方 向和运 速度 其 动 驱 理 基 于机前进 端 和尾端 接触 角的 差 别 移 动 触接线近附区 提供 域驱 动了 的
能 这 与在量 各向 同性 面 表 不 那同种 区 域大 是 耗多
散 ,,
,推导
出
笋
了
,
含可变铺 展 数
的 系速度 由 式 决 定
、下
、
一
、,
的
二 维 微滴 沿 基 的 运底 表动达 式 在 润 滑极限 内 滴
能微 量的
一式
和
一
‘、
一
学非 化均 匀 面表上 的运动 提阳出 了 薪 性 滴微在 化 各 学 向性 同或 各 向 性表 异面上 的润滑 模型
展 和 收
缩
,外
击
舟,
・
一
芸
,
,‘
他感
兴趣于 毛细铺
由于表 面 染污导 致 生 的 物 胞变细形 以 及,
,
中的 个第 等式要求 分 表 示别 退 和 后前进接触 的线 位置 处 产生发 散在接触 线而
守
,
为了避 免引
一
,化 在 学成分 渐变表 面上 微 的滴或 细 胞的 蔓 延运
动 小 的平对衡接 触 角
入叽了 一个 分子 尺度 的 断截 长度
‘通过
他
假 设 接 线触
,以
速度
方程
,
,
可
以 被表示 为
拼一
‘
从而
一甲
袱界 条 件。
基
底二
一
元
前进
且满足 液 固 界 面的 滑 移边
。,
这 两
模 型个
中
其一
轴
垂直
于“
预 都测滴微 的速 度 与 能提供
速 度的上 限
和
夕
成 比例
,
然 而于 由接
,触
这里
是 动触 接角,
,
元
是底基 平面 上 接 线
角触的迟 现 象滞导致 反的 作 用力被忽 以略 的上 测预
以只 和
及外的 法线方 向 位单 向量
为
量级 的常,
到
考虑不 接 触角 迟 的滞 象现和 分 压离 力作 用得他 数十
附 通 逐过渐 降 表低密度面 方的法把癸基
守
尸,
拼
三 氯【硅 烷 单 分子 层移 植 于玻 璃 硅和基 底 上
,
制备
每经 出过
表面 能变 渐的表 面
一
放 在此 面 表上 的微水会 自发滴
管接尽触角 的迟 滞
在 微 缓 慢滴铺 展于 由
入 万牙
,
地克 服 重 力 上向朝 接触 角 较 的 区 小 运域动
的 距离
,
入
接
触角减 约小,
描述的 化 学 分 渐成变表 面 条的 下 件解此 方 ‘ 。程 功 牙 州 兀叼凡
了, ,, ,
利
和
用范
围 在
但乙 烯乙 二 微 滴 扭 醇 的前进 度速 可 以 到 等 在 达紫 外光 照射
, 下
,、
把
二石
,
,
、
。对
方程
拼、
量无 化纲其
中,
,
是。 微初 通 过 对高滴
含有光 致变 色 氮偶 苯 集团 自的组装 单 分 子 层镀 于石 英基底
分上 会从 子显 示疏出水
的
、始
半
径是 滴微 始初静 接触角 导 致时 间相 关
项
与
小三数 ‘
参略,
,成
线性比例 关 系
,
性骨架 的 平 反坦 结构 曲顺 式 结 构式
转换 成含 极性 氮基 的扭团的
值加增
,
剖面度函 数的 摄 动展 开他 总 结 出在 零 时微滴阶
、保。 口 球持 状 且冠以平 均 度速二 劝。 。入 一二 运 因 动微此滴朝着 接触更角小 或等 于价 私附力 更 大
这
种 向取 的变 化使性
从
导致 而了液 接 体 角触 相的应 变化 ,
等
也证 实了 对 基 底 不 对 的称照 射可 以驱 微动
、
滴
的区域 动运
因
为。
在常定 曲率 表面
,
即
,
动 图运
图
图
和光
可反应 自推 动 包 且 含全 氛癸 基 氛三 硅烷的
、
授权复 制
、。
。 获 烷烃 微滴在 宽 亲条水上运带 的图像动 列 序 △对 非照称射 对 致 异 构光氮苯 单偶层 动表 面推 的橄 油榄微 运 动滴 的照片 和示 意图
,
紫
外单的 转层 为更化 高 极 矩 的偶式顺 构结更 小 的接触 角 使 的 。结 更 大 构的接触 的 获角授 权复 制版 权 等
,
后然用再 蓝光
照 使单射 回 复 层成 式反
199420-01 hiCn Aacdemic aJouralnE lctronie cPublihsig nHous. Aellr gitshr seerev.
httpd/:w/w.wcnk.niet
界面
能
吮,
梯的度
,
可以通 过含 有 可吸附于 基
他角 发现 们 数
函年,
,
的
曲线类 似 于电毛细 现 象中一
底
的可溶 性 剂 试微的滴 的移 来动态地动产生 ‘ ,, 及以和 检等测 包了含
运 动 时可 玻 被璃 底基吸 附 的 全氟 酸梭 或全 氟 癸基 三
随着
,
的
曲 线们他 为认 按 照的减 界小 面 能的变与化,
、
‘方
程
,成比 例
,
使
固用 金体 属 极 电碘 化银 和表 改性面 的 石英的 续后研 究证
明 气泡 接 的触角 决 于 表 定 面电 荷密度 且 , ,假通 过 电 荷作 用 设其 最 值在 大 电 荷零 位置 等
硅氯 烷 自的驱动 烷 烃 微 这滴 种拖 出 的 面表单 分 子 微 滴层 导 致表 疏水 在面这 自疏种水系 统 中
“ ”
,
速 度的可 以 加 速 超至 过 每 几秒 厘 个米
来改 接变触 被角 称 为电浸 润和
双
层 电
,
的同
样
,
沿, 固 物体 周体 长 制造 各非向 同性铺 系展
以
及论
,理
,
等
由
数 可以 动驱 小固体 体 沿 物体液 表面 运 物体动由 于
提一 出 了 带电荷 和 可
表叭面 张 力变化 而 到受 的 力净为
一
离表面 上 电电解液 接 角 的理 触论模 型 他 们 算 计了无几
兑
・‘
‘
大限 系统即 不 虑考 接触 时线 表 面电 荷度导致 的变化密此 若假 设时的 和 飞 无变 化程 可方 被以用 来计 算 变改 的接 触 角“
、
、
,
一
‘
叫
和
其 中
为 与纵 三 相 接 触线樟 脑碎 年 学屑一
正
交的
液气界 面 切单向,
关
注到 带 电荷 表面接 触 的线 存 可在 能引 入未 被 简代单换考虑 作的
,
位 向用 这 量种 效 的应一个 著名 例 子 是水 在上 舞 的
跳”,
阿 推
断了 外加
一 势 困扰 个 观 察 了几 个者世 纪现 的 象 到直 正确 地 给 出 解 了释,
之
后樟 脑 船 再次 引 起 们 的 人兴 趣
’这是一种 化
将导致 界面 和 相三 触线 接 极 的 性降低 了 面张界力和 给 出了驻 阳留在固 基态底 表 嵌面 于不 线张力可
掺混 的电 液介解 质中的电 液微 解滴的 维二模 型
机 他 械 能相转化 的方法
电毛 细 现 象
假 定固 表体存面 在恒定 的 着表内 面电密度 荷外表 面 荷电 密
度一
,
。和
。
。
根 接触 线 据 位 置和 微滴 状形,
, 守 。一
守电 毛 细现 象 指 通是 过电 荷 改变 液 液边 界 的 设 计界 了一 个 毛细 静电 计 其 张面力
,
满要足 总 由自能最小 化原 则他 得到 了 由于 电 荷 用作 而改 变的 接触 角 乍
。。。 一
沪
,
中包 含
外 加 压
函数电的界 张面力年
,
作 用
下的 有水银
,
一
电解
液的
,
,
及 描 以 述微 形 滴状 的 一般 方程
这
叭,里
代表 不考虑
间 界 面 张
的弯 液曲面的 毛 细 这管 装 个用 来探置 作测为
的变 随化 着 压 的电增 加
静相 电互作 用 力 下
相
和,,
固体
力
,
试
,为接触
处 线的电
、势
供 了提 势电
,
在他观 到察 函
数守
曲
线形 状 近 似于抛 物 线
,
先
向 向
增升 大到 最 大值 后 然又减 小
和守
,
热从力学 的 度 考角虑 得到 关了系
一式。
的 推导
极 限一下的 似近解 根 据他 或 于 向德拜屏 蔽 长度 ‘ 毅 距离之 外接在相 当
触 线
附 近的 液 的体形 状 会背 离 简才单楔形 绝 缘基底 上 的 电 浸润 于 由氧化 及 层制作程 过 中 的染污残 余 物固 体
,电
,
中
其条
件。
表代表面 电 荷密
度
,
下
标
拼代表恒定 化 学
势极 表
面 往往比较 粗糙且 化 上学各 向异性 这将 影 响 电
,
这个 关 系从 质本 上描 述 了 面 表电荷 的库仑 排 假 设 电双 的层 电 容差
为一常 数
守
,极 的重 复
使 用然 如而 果电 质 解溶 液 电极 和 一被 化,
力斥导致 表 张 面力减小
,
学 性 惰且 绝缘 电 的薄 分 开层 化电 反 学应和 定特的吸 ,
可
得以到守
附
被 大将 大 抑制 这 对微 控技流 术应用 利 因 有 为大,
,
各
,
,
一一
玲
“
量不 同 的 体液 电质 解和电 极材 料 可以 被用 来性定 地 生产 类似 效应的
,
、
这
,里
守
跳
,
表 未 充 示界 面电上 的最大 界 面 张力
玲
。
对为应
于 零 电荷时 的 加外电压
作 绝缘为 层上 浸电润 的最早 实的 之验一 测量 了 薄 聚 乙烯 管 中 解电质 溶 液 的毛细
,
展
应 铺用 外势 也可 以影 响 电解 液微 滴 水 在 银表面 的 和 报 道了 蒸水 只 在 馏水
,,
升
高随 横 贯 管 的 电压壁 的函 数 变
固化体面 表表的 面活性 酒 精的存 在
,
他指出 吸 附于
大 减 大小了
叭
银 表 面 铺 展 非 常慢 机无基 团完 全 不铺 展而 稀 过释 酸的溶液会 速快铺 展 段一 定 确的距离 后 停止 验实测
随电 压 加 的 变增化,
阳
感趣兴于 强 电
场 中
电 荷 从电解质 微 滴转 移到 高聚 物 薄片 这种 信息 储存 方 式 测并 了对量 不同 电解 液 加 施 电 压 导 的致么 的 接 触 角 减 小的 , 叫 进行了一 系 等
列实
,
验 表量明最 终 的 触面接积 与 平 方 每纳米
确定成 的状形
, 单位个 电荷
近
似 值相关 加 电外压 可以 微滴使 铺 得展更 远 或 短缩
和
一
利用 水 或 含水 的 高 聚物 溶 液 薄在 高 聚 物
拼
呱
膜
以
及
表、 面 上形成微 滴 电压被 施加 于 插 入
微,
护
测 量水了银
电 液 界 面 的解 气泡的接 触
滴的 线 和细绝 缘 下 层负的 极电间
如
图
示
所 199-2010 Ch4ia nAadceicm oJrnul aElcetonirc Pbulshingi Huoes A.l rilhtsgr eseved.r
http://w
ww.cknine.
t
低在 压 时电 现
。发
,上
厚 度
为的绝
缘 薄层 面表上 具 有 恒 定势电
,
完的
向
, ,
全 导
电微滴他假设接触线附近 微的滴 状形 接为触
角二 对 的的楔形其中 为正和整 数 可 导 电 价 的解导 致表 电面荷密 方 楔形 程 。 的 。。。、 。 度出的 且 现由 尸 于在接触上线, 产 分生 岔 其中是 接距线触的 距 离 。。二 旬
其一
,
中
是绝 层缘 的厚
度,
。。
是
真 空中的介 电 常
数
,图
是
缘绝层 的 相 对介 常 数
电
图描
述 ,,
,
了 外加, 势电使接触角减 小 当大于 一 界 电压 时 接
,
临
,
触饱角 和 到达 固定值
随着
而
的 一 步增加进
会口
十
,
二
图
电在场中 相应 产
生 接触线产处 光 射照的 子 化离现 象 图 观察 在 到足够 强场 中细电 小 微滴 沿 水 的接 纯等
生 的
这个 岔 分被 认为是 导 致空 气 电及 强 离 中场接触
线触 的 发 喷通 过 并化简的 性 稳定线 分 性
析更薄、
,
,
总结
角 和饱的原 因图 等
设假液气界面 在使完 全 导电
相微平衡 而非用
,固
到得 大不 稳定最波 长近 似与绝 缘 的厚 层度 成比
量级 且例可 以 承 受 更介质高 穿
击
,滴
的毛细压 和法 向 电 力应旬
体楔形 来 近 似表 示 微 的滴 状形线 的表面倾角 由 文前 定
义
小 的 计化 算 得到 的数 值 结果 表 明
, 他们 假设远 离接 给触出 过通能 量
最固体 面表 的接 触
角
电场的 自由针 眼 绝缘
层允
降许 所 需低 的 驱 动电压
可 独 寻单
,
对 接触 角以进行 明 显 的 整
调 址 电的 阵极 可列以对 接 触角 正如第
约 、进行 空 间 调制,
于等
二
,
即
一角
更
进一步 ,
,他
节中 讨 过 的
、论
,
触接角 梯 可度用 以 也 可 以于在低 能 耗
, ,
们 展发 了 在接触 微 滴线曲率 的 弱 奇异 性
这 种,奇 异
量级 速 的度 驱 动 滴
微
合并图及 混合 微 件条下 来分 图离滴 ,由 于电浸 润致导的 液体 形 状 迅的 速变化
已 经被用 来 制调光 透 学
镜,
性通 过 面 表 电荷 密 度 的 分表岔现 出 来 令人 兴 趣 阱感 现 法发 应 力 向的适 当 平 衡 要静 求电 是 力和 毛的细力 两 者 贡献 的他但 的论结是 当长 尺度度 一 小于 德 拜屏 蔽长 、 度‘ 时 楔形近 似 也可 以 适用 近最 等将 双 电 效应层和 应 力
与 ,,,
可
开 控制镜 关面
,和 其他
学光 显 屏
示电浸 润
和超 疏水表面结 合
可今
至
以大大增强 接 角 触可的变 性呻 】 据 我们所
知
仍没 有 述 电描 润 驱 动 浸微 的滴动力学 模水 型有
些 研究 组 试图通过 热力 和 电动学 力 学 的势能
卜应 用解 释来外加 电场 改 接触 变角 的 根 基源 于‘ ‘‘的 分 析考 了察镀于 接地 电极 等,
透 压渗 的 平 衡入引 解 电液微 的分析滴而 忽 略 毛 细压的 献贡目 仍前 然缺少在加外势 对下绝 缘 层表 电面解,
液
滴微的 完整 描 述这一 描述 应该 包 括 电双 层作 用
,
,应
力,
离分压 强 和毛 细 压
和
这
种 描 述引 至
出、一
少
两 种量级 相 当 的 度 尺长度
图有插铂 丝 氧的负电 极组 成的 基底外加 电 压
出楔的边 二
。微 滴位
于,
特 氛隆获 。
疏 水
层
和,
,
‘
聚或酞亚 胺绝 缘层 利灵帕授 复制 版权
, ,权
,
锢
一
锑计算
厚
的 护完 全导电 液体 的表 面 菏电密
度
】获 权复制
授版
权
」
微
滴在
拼
下
的 侧 视 图 图 中标 尺 聚长四 氛 烯乙表 面外加 场电 接触 线 附近 光的亮是 由 于空气 离电‘ 、 显 光波示长 定 于决大 气 中 气体的 分成 在并小 持续时间 于内激发 的获等 【 授权复” 制
分
光 测镜 夹量 在极电阵
和列 透明盖 板 间的微之滴于 由浸 润电 而分离 外加电 压权
・
,
隙间
户
宽,
液
体体积
川
获
。
等
〔授
权复 制
,
版
1 949-2010C ihn Aacadmic eJuroan Ellectrnoi Puclibhsng Houise.Al lrihts grseevedr
.
htp://wwt.wcki.nnte
通过表面
剪切 应 力 制
动由于 表 温 度 热 毛面 流 细化学 成
分,
膜的 形 和状 度 速分 布与化简的 润滑分 析未 虑 毛考细
压 和 接触线 的作用 相比 较 计 出算沿 平 向板 的 平
上均
流 速度动为
,
叮一川一
川 这实与 结
验
,
流动 或 电荷密度电 毛细 流 的 均不匀性 液
面 会出 界现 面张 力 梯度
吮
液界
果
符合 得 好很通
过 化学 处 理 表面 致导 热毛细 流 动的能 力提 供
这
将 产生驱 液体
使
二流向 更高 界 张面 力 区域 的剪 切应 力
界面 形 和 速状、
一 种了 强有力 的 流 控技 术 输 送方 法
以通 过可 入
嵌
度 布分决定 于
一程 和方热 量 对
,
小质
量 基底 微加的 器 或热 从 方 上 施加 辐的射 热加的 方式
来
及 荷传电输 方 的祸程
合
。,
数
、
小
。
数且
小 数 比
也方
生产 梯度
热
“
,
,“
恤
等
考察 了牛 顿 流
几何尺 寸 比 的 微 尺 流度动
,
数和
随体着 温线度性 低降从小 储液 池流 中入可 浸 微润 条带的 水平 热毛 细 动流 最 其 薄大厚膜度 处 中 线心处
的 无 量 纲方 为
程口二二
,
较小
沿 薄 膜 度厚的 温 度变化 可 以 略 忽于是
程 和 热传 方导 程祸 流 动 解 剖面或 形 状只 单简 决的定
于 在加基 底的温度 分 布由 于当地 的表 活面性 或 表
,
、
面
甲
口
二
二
了
作
代二
电
荷浓度 流与 速动度 相 关 所 以表 面化学 分成 电荷或
,
二二
口
屯
一
拜
一二二, 刊昌
七口
一 拼
一
屯
口
一
丫
度 不密 均 匀性 导致 的
不 可能 解祸必 须
、把、
流动 方的 程 一 般组方程
与 表 面 活 性 剂沿 面界 和
晶子 豁 晶杀
程 的 第
第和第
・‘,
相 液对流的扩散方 程面 表张 与力表 浓面 相度 关 状的态方
程描 述 面界与 液 体质 量交换的吸 附与 解 吸 方
附 结程合 起 来 同时 求解 由于这 个 原 因涉及 中 性或 带,
其 中 动 守 和风幼是 位 置决 的表定 面 张力 和猫 度方 项 代 表 毛 细热力 致导的纵 “向轴 流 量
代项 表横 轴 如
第
。。
, 荷电 的 性活表 面 传的 输问题 是 非常难 于 分 析和 控
制
中节的 抛 物 线横截这里
,
的
热毛 细 力 应 致导的 微流 动 在
‘
面 和 纵 轴 界面 率曲导 致 的 小 较流 量 贡的
献分 别用
一‘
”
“。
和。
来 对流向 和 向展的
加 ,
坐标 无 量 化纲“
,
中其
。
,“
川
。
户,
对
流 验实
中,
先
首下
标
表
示 带 进条 口位 置石
二处
的 数参
值另
一 观 到 察了 膜液倾 于 向 基朝底 温较度 低 的一侧铺 展
“
个参数
处 特理征尺度
。表
征 了决 无定
限 宽液膜 移动
表面
和论 了 讨 似类液 体 的 迁移 导 致的 合挥混发
前
沿 附 近毛细 变 形 纵向伸展 的 力 动学 度
的 尺争竞
液
的 蒸 发 使 表面 张力 如 何发生 变 化 他设 计 了 个一 对照 实验 来 观 察 沿 膜 薄表面 定给温 变度化 起引 的 薄
膜在很宽 参
范 数围内 实 的
验测量 值 方与程八
与的数 值
符合解得 好 ’很
,
极 限当
高
度 的空 变间 化在 润 滑 极 限内且 不 考 虑 细 压 毛
,他
升
即。 化 各 学同向性 表面
热毛 铺细展形 成 的
,
推 导出 在 定 条常 件下 热毛 力与细 静 水压力 平衡 的 速度分布
,薄
膜 经将 前 进 历前 沿的 细 脊导毛 的 指致纹
式不 定性稳 这 脊种 部状是 线 不性稳 定 图
的
即
并导
四其中
况,
的
、
一尹
加
甲
致 了图
入
‘
、
、
所
示的特 征 样
,图
,
其
波中长
对 能 量耗 散 率 的 析分显 示 指纹 式 不稳 性
定 咭 稳 不性 定相结 合 的
,
之
确定气 液界 面位的 置 满足 程方
对
液 浅 的情池
是 尖由 较端 高的 流 流 体动 性 与毛 细 部脊 大 曲率相 关 的
生,‘
,
‘
’
相应
的薄 的膜 形
状
甲一
司
结果
具对
有 构结表 面 的 铺展
当,
入时这 种 不 稳定性 不 会 发
于是
△
,、
估
计
,
温当度 差 时
,
△
相
,应
于
是 毛热 细流 为 流 动 制控 供 了 提 一 可种靠 的
方 户拼
守厚
的 水平 膜液低
法 也
可以 被用 于 小 颗 或粒生 物料 的对 材流中 在技
温 侧 的一 面液 将高
升尽
存 管在 着 趣 有的
例术
应 用上 这 种 输传方式 的吸引 人的 征特是 其 驱 动
,
,
外
“
,
大多数 液 体满
足“
力 只决 于 外加 定温度 的 差 值 而 绝非对 值 所 以可以
,
和
感兴 趣 于解释 被称 超为 新 月形
通过降低 总 运行 温 来 度 小减液膜 的 蒸发 或 物材料
液 生膜即 液 爬膜升 高 度 过 平 衡 超 细长毛 的度来 源
热的 损
固耗 体 面 表 微滴 的 制 热
动 他们考 了察承受 温 度着线 性 降低 即 恒 定的 热 毛 细 力
应二
吮口
・
的
垂直 置放 浸可 润 平板 上不 可
用 毛热细 力 动驱 小 微滴 需 要 部分浸润 表 面 阻来止 成微滴形前锋 陌或 膜液 拖曳而 造 的 成 叉交污 染
发挥 膜 薄 的自 发铺 展他 把们用干 涉 测仪 量 到得的 液
1994-20 0 C1hia nAadcmic eJuonral Eletrocni PculibhsingH osue.Al rlihgstr serveed.
htp:t//ww.wckin.ne
t把 平滑 且均 匀 各 向同
,
性为
免避 滞 效迟
应
面从
可表 浸润 转 化 成部 分浸润 可 利用 的表 面 处理 术技有很
时较大
热梯的度 于微是 的滴度取速 于决移
系数 这个系数极难通实验过测量
而,
对
限滑 管如尽此不 少 研究小组 通 过实 和 验 理考论 察了
恒热 毛 定应细力下 二 维 滴 的润微极滑限进 行完整
的了水力动学分
热析 细毛力 驱 动微滴 的 运动
分析 学渐化 表 变 面见第 述 存 在 着节
,
“
,
‘
, “‘一
他
假设取 决于 接 角触的接 线速
,触
研究 了 小 热梯度驱动 二 的微 维滴 运的
节
动。
一
个 类似 于 依
据
度由
液对 角
一一
和
一
得 出并
,
节 的
平 衡 力 用 被描
来,
边 固 使界用
滑 移 条
件
,
他
的 定状常
态和
、 空 间变化 的 微滴运 动,
解
表明 滴微 内 的热毛 细 回 流 影响了前进 和 后 退触
丫 乞
接
每 个界 面 上 驱动 力 相对的 强
度,
微
滴可 以朝 向或 背
,
等
考 了 附察 着 部在分 浸 圆润柱 形 纤
,
基 离底的 低温 端 运 动接当触角 的 迟 效滞 应被 明 地 显引 模 型入 时给 定 在毛 热细应 力作 用 下只 有
大 于临 半界径 的微 才滴 能 运 可动不 考虑
、,
维轴对 的链称 烃微 热毛细 滴 移 迁微滴位 与时置间函
关数 系 实验的结 与 不果考 虑 细 压 毛 和 接角触迟滞现 象 的简单 模 型 进 行较 但比 此模 型 括包了原 先 型模
,未
吮。
的
变化热半
三
大 于径临 值 界
和时外 加 热 梯度
,
流
运 体动的 速度 随着 微
线 性滴 增加这 个 测预 被
考下虑 勃的性 随温 度的变化
,
等
、叩
最近 测量 了
滴在 微部分 浸 表 面润 运动的脱 力钉
俪
等
述
验实 所 证
实三“
川
时 让 硅油微滴
和最小 微 滴径半以及 微 滴速 度与 半径 热 度梯 和
液
丛
片。
‘
镀有在十烷 基六三 硅氯 烷膜的 硅 晶 和 上‘运 动在他滑
条件移解除 了触 线接,
体
性物参数的关 系其 结果 与
和
的非恒定 热毛 细应 力 型符模合 得很 把 好具 有化 学设 路定 径热 毛细 推的进 大 的但局
,
与们 的 模 中通 过 型引
处 入应的 奇力异性 还 考 察了允 表面变许 形 超 圆过 柱冠
部
化 的 梯热度结 合 起来 以可 现实更 高滴 速微 度更
,和
图
拼。△ 部 分浸润 带上条 二 烷十滴微的热毛细 分 离 的图片序 列、二 施加嵌入 在的 加微 器 电热 拼 阻、 】巧卿 上 的 压电是 热 毛 细力驱动十 二烷 徽滴 的图 序片 列叉 的阴交 影条 带表示 分部 浸 区 润域 二。‘。 、 、 “ △“。、 △、。 二十 微 滴烷 过转 热角 毛 细力导 的 致硅 膜油前 沿 化 以在
,
、,
。
一
拜
学 各
向同 性 底基上
入勺
硅 晶片
前
进 的指 纹式 稳定不性 的发 展
外
加剪 切 应
力
二
。
,
么
,
不稳 定 波长
好 的方 性向控 制 液体
图
以,
川
最近使 嵌 用
于璃 玻基 的 可底电子 寻 址 微的加热 器 阵 列 驱 来 动种
各包 括水 微的 滴 沿 部分 润浸 微 条带 网络 运 动 这
主 动种 制 控 允许按 照各 种流 动 控 操制作
加热 器 阵列的提 供的 流和向展 温向度 梯 度 可以 应用 微 于 度 尺几 何 形 图 下 有的效 掺 混等
也 考 了察具 微 结有 基构底 上 热 毛 流细 中 动 对的 流
质传为 微了尺 度 器件 的 中 可应能 用考察了
种, 要
一重
要求激 不活 同 热的分
布微
加 热器相 激继活 被 用 于
图
的 混、 机合理 基 于 扩 纯散 力动 模学
,
,拟
由一 处
到 另一处 传 输微 图 膜滴在 热 点处 破
,裂
由于
图液,
剪切 增强 扩 散 和 几
利
用一
弥散
齿 锯 的 状温 分度 可 以 将 微 滴 布
或应力 流 动 的驱动
,
液
膜 分流裂 成 一 连更串 小 的微 图
滴
同 的 样原理 可 以 用 来捕 捉 释或 冷放 处 点微的滴 可 用 来以 触 发或 终 特 殊止 位置 的 化学 反应
也
与 热 毛细 驱动相 反 通 过 变 液改膜的 表 面 化学
分 来成操 作 固体基 底上 的微 滴 运 动 更困 难 尽管 此如
可 寻
址
19492-10 0Chin aAcdaeim Jcuoral nElcetonrciP ubilsing Houshe.A l lrgihs rteesrvde.
thtp/:w/w.cnki.wet
n膜或 液离散液 可 以被相主 动 地 进推们 将通 一 过 些验实例 子 简单 回 顾
输 机的
形
,
理
”“
这 一节
,
我
接 近
更低表 面 张力 膜的可 以实现 微 推滴进图 图 吮
二
驱 、传动
给
出十了 六烷
吮
,
微滴沉
积
,
“
被动 流的 动 延 迟 应或效伴随 着 面 表
”活
在
部 分 浸润硅 晶 片 表 面 的聚 二 甲 基 氧 烷
易 混硅 合的 薄 膜 附 近 例 的 子着 了
,随
性
剂输 运 和微滴 或气 在 界泡面 的 吸 产附生 的 状形 变
本节不 做讨论
进
行 验实研 究 两块水平 玻 璃平 板
的 蒸间 馏水 内的 层空气 泡 的迁 移 和 振荡 在 个一 约 的气 泡大 近附 加施流 为量 几”
液膜 铺
展 接 近 十六 微 烷 微 滴 将 滴 被‘ 道报 应力 推动向 前等 应 力起引的 连 在 接 两个 表 面 固定不 动
拼、
酒的精 导流
,致
的 双
脂 泡 直径层
之
间 的一 个 双 脂 纳米
层 泡 向气酒精 头 源运 动并 以
越大引起 荡 的振频 率越 高
、的
周期振
荡,
流
,
量 管 中径
薄直膜 力
张,
、
的流 动 个 单脂 泡 球从 形
到由
动 量守
恒
朝 更 高向
应
力 球椭 的形机械变 形 用更 高 的 比 表 积面表 征 及 加 增的引 起脂 分
子 过通纳 管 米内 未 从变 形 一的
表 张面 力更 少 的 酒精 处的
导致
过
通
气 泡 相向
反 方 向的运动 酒 精浓度高 的方
向
流 向侧 形 变的 一 侧见
图
图、
表面 镀有 二十烷 基 三敏 硅 烷镀 膜硅 的 片上晶铺 展 的
挥发可 和,
液
膜不 可 发挥 在‘
,,
叭,
,
驱 拼 动十六的 烷微
。滴。
煞,
二
, 拌
二二
,,
和
时刻记录 的 光 学 干涉 图 宽
片
升
尚未 、 表
发拌
图示 为 两基个 底 定固 的由双脂层 米纳管 直 径
个两纤碳维 被用 使脂泡
来
“连
表 接面 张力 ,
几
的双 脂层 泡 直 径 获
、
’, 变 形为椭 形 球从 而增加该 脂 泡 的 表 面 张 力
推测 被
认
为 入引示
输 运的 图 片序列
应
力 动 驱所存脂质 的流使 系统 动 复 恢 平
衡长
双拼脂 层纳米 管 内小脂质
黑体色箭 头 所
等
‘
授权 复制
,
权
」版
微在 流 控器 件 的 应 用中表 面 力梯度 张能 自 增发
例大如 微滴 的分 裂在 或 并合 中样 品 的 混合 或化
, ,
,
学
反应 生发 典型 地 不 同 液 相体 接 产 生 的处面 张
表力 度梯要比 相 应 热 细毛变 化产 生 梯度 的 得大 多包
常,
表面含 活 材性 的料生 物 液体 积沉 在 更 高吮 值 的液
膜
,上
、可
溶 表性 面活 性 要 剂求 界面吸 性 的剂 散扩系数附 解吸附 运 动 的规 使则表 浓面 度 与 离 相散浓 度 相 所关以 方程 与 离散相 对 流 扩 散程方。 十仲 相祸 合对 面基平 底 上 的薄护 头 膜 流动 液 厚体度 的 变化 由下 式决
定
,,,
会 生产,
应 力致导 膜 液迅速 变 甚 至
了薄 控解制 这 类 流动 基的本 象 是 非现 重常方程
擎
不
一
二
破
裂 此
要因的
渗、
二 一
,
拜
‘井
二 其
泊
, 。
一方和程
通 过
面 张表力对 表 面 性活 浓剂二
节
概述了 在 面界含 表有面 活 性分 并
子
存度剪 切在 应力 的条件下 的 力学热基础其 中 表 张面力
,
简 为化正 比 于面 活表性 分 子的局 部浓 度 除 毛 了细压 ,伙 之 外 推 还 了 切导 向剪 应力 二 二 甲由 下 方程 以给表 面活 性 剂 的 表面 浓 ‘ 出度
,
【 【 的依 赖关 与系 面 表 速度 护饰川 合到祸 一起
的主动控制 强 ,
加
叭一
对
微 滴 运 速动 度 固或体 颗粒 在 薄 液膜 中 的 对 流
可 以 过 对
通
,
。、
・
,
,的
电的化学调 制 来
,增
,
,
通 过 调
整 含 活跃 氧 化 原还 团基的可 溶性 表 面 活
剂性 的活动状态 深
滴沿只 需施要加
于 加薄 水 相膜反 两 的 个极电 上的 叭
擎
,。
二
,
二。
二
。
、
。
一,
二
艺
电压 可 以
用来 调 制
一
图一
向个列 液 型 微晶
一
膜对水
流,
面表活 性剂的 通 取 决 于量表 面 度 的速
切 向分量
二 一。。
・的
电 差压
△勿
,
。
,
面界 平均 率
曲。
・
。
和面表活
时
,
运
速度动可 到达
19492010- hiCnaAcade mi Jcouran lEeltrocic nPblusiihgn Hoseu. lAlr ihgts ersrevd.e
h
tpt/:w/w.cnki.wnt
e
液晶徽图在含表滴面电 活 剂性的 水性 膜液 上对 流的延 照时片 ‘ 铂电 极上 获 授复制权版 」
,权
二 之△
,
电的 差 势施 被加于 所 轨道 东端 示 南端末的和含光敏 氮偶的水溶苯性 溶 液
,, ,
滴的光微激发毛 细 释 以至 于放不 支撑 微能 的重 盘
滴驱动 的 验实装 里 根两铂 电极
已
获 权授文 献由
在紫外
光照 明后 个两滴微的表面张力降 低个垂 放直置的玻璃 细 毛管尖上的 微 滴列 】阵复 版制权 滴毛 细 小
,
徽径
被
夹 铜的水 微滴银被置在放玻璃 察观 器容
限制在
长
有
装”
内
应对于 电流
。
,
和 液 溶的璃容玻器时 的 滴微状
形
内 初始直】
用
紫光 照外 含 光 敏射活 性 剂水 的溶 液体 液动的
,
率先 述 了外描 电场加下 水 微 滴银在
解 电 液中的 运动
、
图力
学表 张面 力 以达 可到同 样大的 化 变 如图图
、
图出给 中径半
所为示
,
过 紫通外光 对微选滴择 性 射照
,,
的 实
验 装置及 随 电流增 加 观 到 微察 滴状形 的
显著 变形
可 触以微滴发 从 垂 阵放 列中释 放
这种释
放不 是由
出提了 弱电场
效
应 起 引的而 是 紫 外 光 照 射 后表面张 力 减骤 引 起的 而 从使
的 理 想,可 极 化 球状 液 金 属微态 滴迁 移 速 度 的一 阶
。
数
,吮
增
大 并超 过微滴
,
模
微型 的 速 度滴估被 计
。
为脱 落的临界值 尽管如 照 度此的 间空调 制 以可提
拼
,
‘
供
作为 时 和 空 间间函 的 主 数 调制 动的
力这 种概念 可 以 扩被展 到 以 类 似第
应
节中 描 述 的
中 浅其, 和
拼
分
别是 电解 液和 液态 属金 的翁
度
,,
技
对微术 滴 动或浮驱 颗 动粒的 驱
动毛 电细和 化学电
为
解 液电 的 导电率 这 个速 度 比固 颗 体粒的 电 泳制动的 征 特速 要 大度 个几 量级 对 固 体颗 粒液体的 流动,
薪 运性 动在 双电 层厚 度
界 面
的 处学 化应 反可 以致导 面 界 力张 的变化
滴微
,
内减 然而 对液态衰 金属 速度场 保 持 微在滴 半径 距的 离 从 流 动而
,
,
管尽要 控 制 种 现象这 非 常困难 ‘
和
性
增 大 了
倍
这种 驱 动 法 并方仅 非 于限 解液
的电乳 状微滴 的速 度以 。
、 ‘
描 了 述 可与 溶 重 的铬钾 晶 酸溶 液 体
相中
的水 银滴微。
电导 率
户。为
混合 的 酸 性解 电液中 水 银的微滴 发 生 规 则不运 和动 把
一 个 水小微 银振动在 一个 实 验
同样 的 方 式 中由 下式 给 出
户【。
,
、
滴放
在 充满稀 硫 的玻 璃毛 细酸 管 的中 央当 毛 细管
端 一小
,的
‘晶体中扩散 的出
子离子 运 动
中
其需银
、
一
到
了 管 的央时 水中 银微 滴 始朝 晶开 体运动 这 种
运动 由于是扩 散 离 子使水银 氧 导 致化
的 银微 的滴何任 运动 或 振都动 止停了
,
对 乳小状 液 电导率 ‘,
时
近似 成
立于基
仅守
,
减 小的
,
和
空间 非 各向同 性 通过 搅 动使离子 度浓 匀均后 水
电压
就可 以 生 产 解 电制 液 的能 力
动 等币
量级微 滴速 度 的 由水此 建 了一
构
感
个连 续浸 润 系电
统到
度 梯浓 度下 微 滴的 迁移 原与始 生 的物运 惊人动 地相
似并对 系统 此 产生了浓 厚 的 趣 他兴对 毛 压和
细
结束
语微流 技控 术不 是 一 的单领域
, ,
玻璃表
面 水 银 触接角 的变 导 化致的 运 提动出 了 一 简 单个的 理 论模 型
,,
但 略 忽
了
力应
尽
管
更 应该说 面对
它
如 这 此 类驱 方 动对 流动 法的应 仍用待 有于进 一 步研
不 的应用同要 需 同的不解方 法决本 文绍 了一 介 可 些用 的法 利方 正 应力 和 剪用 切 应力 在 匀均 或具有结 构 的表面上 进 行 控流操 作 自和由 表流面的 控 制随 着 面 积
究
第
节
中描 述现 象的,
,起
于 电产因 生 正
的而然一
力应改 变 了 解电 液 微 滴的 平 衡形 状
外部,
电
体 和 积比的 加增
,
微滴 和 薄液膜 的动力 学 建 了构
,
场 能既产 生 正应力 能 也 生 产 致 液 变 化导 进 而 并 产 流生动 的切 应 向
液力界面 张力
一
系 列对 边 界 用 作 和 表面 敏力感 的动 边 流界 动与 接
线触的 运 动 相关 的边 界 现 象 接 触 角迟 滞 现象动接
9914201-0 hiCn Acaaedim JocrualnE ectrolin cPublisihngHo us. eAllr ihtg seserverd
htt.://wpw.cwnik.en
t
触角 分离压 力 张线力和 移滑需要 在 分 子尺 度解,
,
化学
处理 表 面 的液 膜 沉 积可 以 通 以 恒 过定 度速将 基 底 从 液 池 处 出来拖实 现 小 的对
,,
决 并
且与 连续介 质流体 动力 模学型 合祸目 前祸
合,,
数拖 动
带,
分
子 动 力与学,
一
方 程
拟 模的 混 合 的法方 在被
正
“
”
考察 提以 从微 观供到介 观尺 对 度 表 作用 面精的确 描 述
,
‘可 有 浸润 微 条 的带 基 将底 出特拖 厚征度在 微 量米级 ‘ 的 液 膜 ’略 忽重 力液效 应排液带 无 量 纲 中心 线高 度 司万的控 制 方程 为二。
一
‘
对 分 子
行为 的 验实研 究 需 要在 小更尺 度上 有 合 的度量 适 法方
,
很 表多面 科 学 的高 分 率工辨具 都
,要
「
沪
・万
二
于一
真求空条 件 但 这 与 数多 体液的参 与 不 容 相 有现的 度
技术量更适 合 于 究薄研 膜 不而是 高 深 比表宽 面 的
尺小度 构结 而减小的 相互作 用体 积 也 将 著显降低信 水号 平这 种实上验的 困 难 使 得发 展 和用 高 采 辨
分
,澎
’
护万
于 去 ,
二
。
‘
撇
“
一 一 峪,
一
于寻〔 一 劫〔 、 、、 一
,
护
一
、
这里
,是
量 为级
,
的
常数
是
远液 池 离的 液
膜
,拖
带厚 度
是可浸润 条 带的宽 度
,
表 流代向的特
,征长度 尺
度这
随
个线
性 小减的长 度 尺 度
静由《
,率
术技探 测 液在 经体过 理 处表面 上 的 构造和 动力学
行 为成为 必 要
态 新 月形 曲弯液 面区域 的 率曲 半径 决
定
者或 与可 润浸微 条 带上 液体 平 的 衡 细 升毛 高尺度 相 ,
出于
这 原个因 微 控流术领技域 是 流体 学力 发
展最中迅 速的 领 之 域 一由微制 造水 力学 和 动物理 化、
当
。图
因
此
,
流
和 向横 向长的度 分 别
、以
,
和 汇 集学产 的这生 种 协 作 为多 学 交科 叉的 学科进 步 提,
无 量来纲 当 项化引 出 动力 尺 度学
时,
、 。
‘。
程方 等号右 边的 ”这 个 方程与 各 向、
供 了
人令兴 奋 的 机
遇谢 致者作谢感,
,
同
性基底 上 拖 带的 液 膜厚度 的表 式达
护
,
”
凡和
,
有显 的区别明’
成,
,
并
且 预 测 了常 非薄 液带 的 形
哪
的
金 资支
附持 化录 学理处基 底的 漫入 镀 膜
并
与实 验 结果 证 了实拖 厚 带 度 的衰 指减数 成 线 性关 ’系‘液 沉体 积 经在 化学 处 理 带 带宽度条
,
有 纹理 基 底的 上‘ 列‘
,
经已被 用于制 造微 透 镜 和胶 体
阵魏
之
山日
山拜・
,
拼
一。
,
图
用使的平 衡 毛 细 升 高拖 直带 速度
〕
、拟 模修饰于 疏基底水来 自甘 油 液池 的储 孤立 亲条水
带的 亲条带水
户
二
上拌甘油
上 拖 带
膜 液厚的度
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