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[摘 要]电润湿已广泛使用于微流体系、电子变焦微透镜、电子纸、电潮湿显示器中. 本文要点重视电潮湿在新式的微纳动力改换和使用体系中的使用， 沿着“根底理论-使用根底-使用”的思路对电潮湿的研讨现状进行整理，首要介绍电潮湿的根底理论及其现在仍面对的瓶颈疑问， 其次从材料、构造及复杂条件下特别景象角度综述电潮湿在使用进程需求解决的关键根底问题， 最终总结电潮湿在新式的微纳动力改换和使用体系， 包含微通道体系、电子冷却、相改换热和太阳能光电体系中的使用.
[关键词]电润湿；微纳能源；利用系统；应用
中图分类号：O35；O441.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）41-0363-01
1 电润湿的研究现状
早期关于电润湿的研究主要集中在其基本现象和规律的观测以及物理机制的探索上。虽然电润湿的研究已经取得很大的进展，但是仍面臨如接触角饱和、接触角滞后，以及电解质的电解等诸多亟待解决的瓶颈问题。20世纪90年代以来，随着MEMS技术的发展，电润湿效应在MEMS系统的优越性引起了研究人员的广泛关注。进入21世纪以来，科研工作者们对电润湿领域开展了从基础理论到实际应用上的研究。本节将沿着“基础理论-应用基础-应用”的思路对电润湿的研究现状进行梳理。
1.1 电润湿基础理论研究
电润湿的理论研究，主要集中在两个方面：一方面是探索电场作用下平衡接触角改变的物理机制，揭示接触线移动的本质规律。另一方面是在解决电润湿从基础到实际应用中所遇到一些瓶颈问题，包括接触角饱和、接触角滞后以及介电材料被击穿和电解质分解的问题。
1.1.1 电润湿物理学机制的研究。目前关于电场作用下液滴铺展的机制解释主要有三类：一是认为三相接触线区域同性电荷相互排斥，该机制解释比较直观，当同种电荷聚集在接触线区域附近时，由于电荷同性相斥，使得液滴铺展，平衡接触角变小。二是归因于固液界面张力减小。该解释是电润湿理论的主流认识：施加静电能，使固液界面等效界面能减小，从而减小接触角，这在前文已有所阐述.三是认为是静电力的水平作用，从力学的角度分析接触线受力，由外加电场在液滴三相接触点处所诱导的Maxwell力使得液滴发生铺展。近些年来，静电力学的解释得到越来越多学者的支持。有学者认为，电润湿的本质是静电力学效应，静电力在离接触线很小的范围内（通常与电介质绝缘薄膜具有相同的量级）对接触角没有影响，即微观接触角仍为Young接触角；在远离接触线区域的地方，沿液滴表面的静电力之和表现为等效固液界面能的减小。
1.1.2 电润湿基础理论研究的瓶颈问题。（1）接触角饱和。根据Young-Lippmann方程可知，加电后的平衡接触角随着施加电压的增大而减小。然而，很多实验发现该公式仅在电压较低时才有效，而当电压较高时，该公式的计算结果会偏离实际值。实际上，当施加电压高于某临界电压值时，液滴接触角便不再变化，这种现象被称为电润湿“接触角饱和”，虽然目前出现的一些理论在各自角度上都能不同程度解释接触角饱和现象，包括俘获电荷效应，表面能极限效应，介电层的泄漏效应，空气电离效应等。上述观点至今没能形成被学术界广泛接受的机制性解释，接触角的饱和仍是大家关注的焦点。（2）接触角滞后。当通过电场改变固体表面上液滴的接触角时，由于液滴接触不同区域和大小的电场，在液滴达到平衡态后，左右两侧接触角并不相同，分别称为前进接触角adv与后退接触角接触角滞后是指在液体的接触角变化时前进接触角和后退接触角的差值。电润湿中，电压增加和电压减少时，同一电压所对应的接触角并不相同，这种差异使得接触角滞后现象更为显著。推导出了含有液滴接触角滞后、极板表面和液滴周围介质对运动微液滴的剪切力方程模型，如何消除接触角滞后对电润湿的影响是电润湿实际应用中需要考虑的一个重要问题。
1.2 电润湿的应用基础研究
1.2.1 电润湿效应的材料及结构研究。电润湿在应用方面需要解决的两个关键性问题，一是实现电润湿的电极结构，一是介电层材料、电解质种类及环境媒介种类等.电润湿的实现按结构可以分为封闭式和开放式。在封闭式中，通常采用“三明治”结构，液滴被夹在两个平行板之间，上层平板接地，通过对下层电极的充放电来操纵液滴的运动。早期针对介电润湿的研究基本上都采用“三明治”的夹层结构，这种“三明治”结构能顺利完成液滴的驱动操控，并减小驱动过程中液滴的蒸发。P最先利用夹层式“三明治”结构对去离子水进行输运操作，实现了對微液滴的操纵。Kim利用“三明治”的电润湿夹层结构，并基于可编程数字化微流控系统芯片实现了液滴的产生、输运、分裂与合并的操作，并利用该电润湿结构进行了蛋白质分析，通过优化运行参数，将工作电压降低到15V左右。“三明治”夹层结构的双层极板运动阻力较大，减弱了液滴驱动效果。因此有研究者提出了开放式的电润湿结构，在开放式中，液滴在单个平板表面上运动，激励电极的相邻电极接地或者在平板下接地线。相对于封闭式，开放式芯片的结构更加简单，操作更加灵活。最先提出开放式电润湿驱动结构，极大提升了液滴的驱动速度。B发现开放式介电润湿结构中存在最小和最大驱动电压，当外加电压低于最小驱动电压时，液滴无法被驱动；但外加电压大于最大电压时又出现饱和现象，也不会起到加强驱动的效果。在开放式电润湿结构的介电层上加入基底金属导线，发现液滴的驱动速度提高一倍。
2 展望及结论
目前电润湿关注较多的是微流系统中液滴的产生、合并、输运、振荡和混合等以及在电子变焦微透镜、电子纸、电润湿显示器等技术领域的应用，在新兴的微纳能源转换和利用系统中虽然具有巨大的应用潜力，但研究尚处于起步阶段，有待深入开展基础和应用研究工作。而电润湿本身的饱和接触角、接触角滞后现象以及电击穿机制等问题，仍是目前研究的热点和难点。同时，现阶段的研究主要关注简单的电解质溶液的电润湿行为，具有实际应用价值也更为复杂的非牛顿流体、纳米流体等在电场的作用下是否也像在无外场作用下一样表现出异于牛顿流体的动态湿润行为，也是需要关注的问题。基于上述研究现状，电润湿领域未来可能的研究热点方向主要有：（1）新型材料和结构的开发，以得到更优的湿润调控效果；（2）含功能添加物复杂流体的电润湿及其应用；（3）电场、热场、光场等耦合外场作用下电润湿行为及其调控；（4）电润湿在沸腾不同阶段（核态沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾）对沸腾换热的强化机制及技术；（5）电润湿在电子冷却技术中的智能化热管理技术等。
参考文献
[1] 王峰中.光学棱镜的角误差检验[J].应用光学，2014（6）.
[2] 洪庆宇.基于电润湿的光学棱镜研究[J].产业与科技论坛，2014（15）.
[3] 陈进，刘飞，曾励.光学棱镜加工的创成式CAPP[J].光学精密工程，2014（04）.
[关键词]电润湿；微纳能源；利用系统；应用
中图分类号：O35；O441.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）41-0363-01
1 电润湿的研究现状
早期关于电润湿的研究主要集中在其基本现象和规律的观测以及物理机制的探索上。虽然电润湿的研究已经取得很大的进展，但是仍面臨如接触角饱和、接触角滞后，以及电解质的电解等诸多亟待解决的瓶颈问题。20世纪90年代以来，随着MEMS技术的发展，电润湿效应在MEMS系统的优越性引起了研究人员的广泛关注。进入21世纪以来，科研工作者们对电润湿领域开展了从基础理论到实际应用上的研究。本节将沿着“基础理论-应用基础-应用”的思路对电润湿的研究现状进行梳理。
1.1 电润湿基础理论研究
电润湿的理论研究，主要集中在两个方面：一方面是探索电场作用下平衡接触角改变的物理机制，揭示接触线移动的本质规律。另一方面是在解决电润湿从基础到实际应用中所遇到一些瓶颈问题，包括接触角饱和、接触角滞后以及介电材料被击穿和电解质分解的问题。
1.1.1 电润湿物理学机制的研究。目前关于电场作用下液滴铺展的机制解释主要有三类：一是认为三相接触线区域同性电荷相互排斥，该机制解释比较直观，当同种电荷聚集在接触线区域附近时，由于电荷同性相斥，使得液滴铺展，平衡接触角变小。二是归因于固液界面张力减小。该解释是电润湿理论的主流认识：施加静电能，使固液界面等效界面能减小，从而减小接触角，这在前文已有所阐述.三是认为是静电力的水平作用，从力学的角度分析接触线受力，由外加电场在液滴三相接触点处所诱导的Maxwell力使得液滴发生铺展。近些年来，静电力学的解释得到越来越多学者的支持。有学者认为，电润湿的本质是静电力学效应，静电力在离接触线很小的范围内（通常与电介质绝缘薄膜具有相同的量级）对接触角没有影响，即微观接触角仍为Young接触角；在远离接触线区域的地方，沿液滴表面的静电力之和表现为等效固液界面能的减小。
1.1.2 电润湿基础理论研究的瓶颈问题。（1）接触角饱和。根据Young-Lippmann方程可知，加电后的平衡接触角随着施加电压的增大而减小。然而，很多实验发现该公式仅在电压较低时才有效，而当电压较高时，该公式的计算结果会偏离实际值。实际上，当施加电压高于某临界电压值时，液滴接触角便不再变化，这种现象被称为电润湿“接触角饱和”，虽然目前出现的一些理论在各自角度上都能不同程度解释接触角饱和现象，包括俘获电荷效应，表面能极限效应，介电层的泄漏效应，空气电离效应等。上述观点至今没能形成被学术界广泛接受的机制性解释，接触角的饱和仍是大家关注的焦点。（2）接触角滞后。当通过电场改变固体表面上液滴的接触角时，由于液滴接触不同区域和大小的电场，在液滴达到平衡态后，左右两侧接触角并不相同，分别称为前进接触角adv与后退接触角接触角滞后是指在液体的接触角变化时前进接触角和后退接触角的差值。电润湿中，电压增加和电压减少时，同一电压所对应的接触角并不相同，这种差异使得接触角滞后现象更为显著。推导出了含有液滴接触角滞后、极板表面和液滴周围介质对运动微液滴的剪切力方程模型，如何消除接触角滞后对电润湿的影响是电润湿实际应用中需要考虑的一个重要问题。
1.2 电润湿的应用基础研究
1.2.1 电润湿效应的材料及结构研究。电润湿在应用方面需要解决的两个关键性问题，一是实现电润湿的电极结构，一是介电层材料、电解质种类及环境媒介种类等.电润湿的实现按结构可以分为封闭式和开放式。在封闭式中，通常采用“三明治”结构，液滴被夹在两个平行板之间，上层平板接地，通过对下层电极的充放电来操纵液滴的运动。早期针对介电润湿的研究基本上都采用“三明治”的夹层结构，这种“三明治”结构能顺利完成液滴的驱动操控，并减小驱动过程中液滴的蒸发。P最先利用夹层式“三明治”结构对去离子水进行输运操作，实现了對微液滴的操纵。Kim利用“三明治”的电润湿夹层结构，并基于可编程数字化微流控系统芯片实现了液滴的产生、输运、分裂与合并的操作，并利用该电润湿结构进行了蛋白质分析，通过优化运行参数，将工作电压降低到15V左右。“三明治”夹层结构的双层极板运动阻力较大，减弱了液滴驱动效果。因此有研究者提出了开放式的电润湿结构，在开放式中，液滴在单个平板表面上运动，激励电极的相邻电极接地或者在平板下接地线。相对于封闭式，开放式芯片的结构更加简单，操作更加灵活。最先提出开放式电润湿驱动结构，极大提升了液滴的驱动速度。B发现开放式介电润湿结构中存在最小和最大驱动电压，当外加电压低于最小驱动电压时，液滴无法被驱动；但外加电压大于最大电压时又出现饱和现象，也不会起到加强驱动的效果。在开放式电润湿结构的介电层上加入基底金属导线，发现液滴的驱动速度提高一倍。
2 展望及结论
目前电润湿关注较多的是微流系统中液滴的产生、合并、输运、振荡和混合等以及在电子变焦微透镜、电子纸、电润湿显示器等技术领域的应用，在新兴的微纳能源转换和利用系统中虽然具有巨大的应用潜力，但研究尚处于起步阶段，有待深入开展基础和应用研究工作。而电润湿本身的饱和接触角、接触角滞后现象以及电击穿机制等问题，仍是目前研究的热点和难点。同时，现阶段的研究主要关注简单的电解质溶液的电润湿行为，具有实际应用价值也更为复杂的非牛顿流体、纳米流体等在电场的作用下是否也像在无外场作用下一样表现出异于牛顿流体的动态湿润行为，也是需要关注的问题。基于上述研究现状，电润湿领域未来可能的研究热点方向主要有：（1）新型材料和结构的开发，以得到更优的湿润调控效果；（2）含功能添加物复杂流体的电润湿及其应用；（3）电场、热场、光场等耦合外场作用下电润湿行为及其调控；（4）电润湿在沸腾不同阶段（核态沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾）对沸腾换热的强化机制及技术；（5）电润湿在电子冷却技术中的智能化热管理技术等。
参考文献
[1] 王峰中.光学棱镜的角误差检验[J].应用光学，2014（6）.
[2] 洪庆宇.基于电润湿的光学棱镜研究[J].产业与科技论坛，2014（15）.
[3] 陈进，刘飞，曾励.光学棱镜加工的创成式CAPP[J].光学精密工程，2014（04）.