力學所微柱陣列表面潤溼動力學研究取得新進展

2021-01-17 中國科學院

近日，國際流體力學權威期刊《流體力學雜誌》(Journal of Fluid Mechanics）發表了中科院力學所趙亞溥研究員課題組在微柱陣列親液表面上的跨尺度潤溼動力學的研究結果 (Yuan QZ and Zhao YP*. Multiscale dynamic wetting of a droplet on a lyophilic pillar-arrayed surface. Journal of Fluid Mechanics, 716: 171-188, 2013)。

親液表面的動態潤溼屬於「移動接觸線」問題，該研究團隊的先期工作研究了光滑表面上(Phys. Rev. Lett., 104: 246101, 2010)和親水內角處(Proc. Roy. Soc. A, 468: 310-322, 2012)的動態潤溼。微柱陣列親液表面通過表面拓撲結構可極大地提升潤溼性能，是解決該應用領域瓶頸問題的突破口之一。因此，近年來廣泛地應用於生物醫藥、微流控、晶片上的實驗室等領域，用以控制流體輸運和提高工作效率。研究微柱陣列表面上的動態潤溼，需要研究在力-熱-化學等多場耦合作用下，從原子尺度發展到連續尺度的三相接觸區域的動力學過程，是一個典型的多場耦合、跨尺度的界面動力學問題。

袁泉子博士和趙亞溥研究員採用課題組自主研發的「跨尺度表面與界面物理力學研究實驗平臺」和「跨尺度模擬平臺」，通過跨尺度實驗、模擬和理論相結合、補充的方法，從原子層次到連續層次、定量地研究了液體在微柱陣列親液表面的動態潤溼過程，得到並驗證了在兩種極限狀況下的標度關係：R~t1/3(粗糙表面)和R~t1/7(光滑表面)。在高倍顯微觀測下，接觸線呈鋸齒形鋪展，鋪展速度依賴於鋪展方向，使得不同粗糙度上的流場呈現出特定的圖案；然而，在低倍顯微觀測下，接觸線以光滑、圓形擴展（圖1、圖2）。研究表明：在固體表面本徵潤溼性能和拓撲結構的共同作用下，結構表面為潤溼提供過剩驅動功，同時也將部分液體釘扎在固體周圍，使得接觸線的移動保持著動態平衡，導致超潤溼的發生，使得微柱陣列親液表面成為超親液表面。

該工作得到了國家自然科學基金、中科院裝備研製項目和重點部署項目的支持。

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