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表面液滴动态行为基于考虑液滴在力的作用下于固体表面的运动行为。其与表面润湿性密切相关,即液体在固体表面的铺展能力。而影响固体表面润湿性的因素主要有两个:其一是表面自由能,二是表面微观结构。从宏观角度讲,润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程;从微观角度讲,润湿固体的流体,在置换原来固体表面上的流体后,本身与固体表面是在分子水平上的接触,它们之间无被置换相的分子。最常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气。而在实际应用中,此过程的逆过程——空气置换液体,即液滴脱离固体表面更受关注。目前人们在制备特殊润湿性表面时重点都倾向液体在表面的静态接触而对其动态接触的研究与应用则较少。
本论文从液滴在固体表面的动态接触模式的行为出发,分别对液滴在二维表面以及三维受限空间里的运动状态加以研究。通过对二维表面组成及表面微结构的设计制备实现了液滴在该表面的滚动各向异性以及特定方向上的低迟滞效应;通过对三维空间几何形状的设计制备实现了一种灵敏度可控的液体微透镜的焦距调控。
二维表面上布满平行的周期排布的复合微条纹,这种表面微结构加上低表面能的化学组成使得其上的液滴下存有截留空气,液滴的静态接触角没有各向异性但是动态接触时具备显著滚动各向异性。液滴在该表面上运动方向平行于条纹方向时,其滚动角很小,滑落速度也较快,并且行走较短距离即可脱离表面。但在垂直条纹方向上难以运动,这使得液滴在离开表面时有“寻址”功能,即液滴倾向于有秩序地按照微结构条纹的路径脱离表面,从而提高了该表面上液滴的不滞留效应。
其后的工作中,利用PDMS构筑了尺寸很小的具有圆弧状侧壁的三维空间(腔体),使液滴在其中运动而制备了两种具有可调灵敏度的变焦液体微透镜。I型微透镜(内液桥结构)的腔体是由润湿性相同的夹板间液滴模塑而成:II型微透镜(外液桥结构)则由固体微球模塑而成。由于腔体侧壁呈曲线形,具有随高度不断变化的斜率,从而使得其上的气液界面,即液滴表面曲率也随高度变化而改变,从而实现焦距的变化。侧壁曲率半径的大小则决定了微透镜焦距调控的灵敏度。这两种微透镜有着宽的调焦范围,两者的变焦机制相同但变焦趋势相反,调焦实验与理论计算有着很好的一致性。