蒸发速率梯度主导的液滴运动及相关理论研究

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液滴在固体表面上的运动通常是有两方面的原因引起的,一方面是固体表面能梯度,例如通过化学修饰或物理方法处理使表面上具有逐渐变化的亲疏水性质,也可说成是润湿性梯度;另一方面是液体表面张力梯度,即马朗戈尼效应,主要可以通过制造温度差或浓度差来形成。而本文通过具体的实验展示了一种新的诱导机制下的液滴运动,这一诱导机制主要是由两个相邻放置的纯净单组分液滴在固体表面上相互干涉蒸发而形成的。在这一体系中,固体表面能均一,不存在表面能梯度,同时液滴为纯净的单组分液滴,也不存在温度变化装置,因此也不存在液体表面张力梯度,只存在因两液滴内侧的高浓度低蒸发和外侧的低浓度高蒸发而形成的蒸发速率梯度。在蒸发速率梯度的驱动下,液滴从蒸发速率高的一侧运动到蒸发速率低的一侧,以降低与液滴内部流场有关的能量耗散。本文中所选用的液滴材料主要为正己烷,它在经食人鱼溶液处理过的玻璃片表面上具有较小的接触角(约6.5°),满足理论模型中R>>H的假设前提,且正己烷在此表面上受到的接触角滞后效应较小,运动的可重复性较好。采用MatLab程序可以追踪液滴的运动,实时抓取液滴接触线轮廓并确定液滴接触线半径、边对边最短距离以及长短轴等数据,进而描述液滴的运动速度和形变。实验结果表明,在两液滴相互靠近并最终融合的过程中,液滴先缓慢运动而后加速运动,与理论预测的结果相一致。通过改变液滴之间的距离或其中一个液滴的体积可以调节液滴的运动速度。此外,本文还展示了两个相邻的含金纳米棒的液滴在蒸发时由蒸发速率梯度引起的不对称的多元环沉积,进一步探讨了蒸发速率梯度及可移动接触线对液滴沉积图案的影响。
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