应用探析|高速摄像技术在亲/疏水图案表面液滴自组装行为实验研究中的应用

1 研究背景

亲/疏水图案表面液滴自组装行为的研究有助于理解液滴在特殊复杂表面上的动力学行为，为开发新型的微流体器件和材料提供科学基础。

江南大学研究人员结合基于高速摄像技术的可视化实验方法，与基于VOF的数值模拟方法、基于液滴冲击的能量守恒数学模型计算方法，观察液滴铺展、收缩、分裂、飞溅等行为，系统研究雷诺数Re、韦伯数We和图纹基底特性对液滴行为的影响。其中可视化实验部分，研究了液滴沉积行为和分裂动力学在图案化表面上的动态行为。

2 可视化实验设备和仪器

1）覆有SiO2/OTS涂层的玻璃基材，通过放置阴影掩模区隔亲水和疏水区域。

2）压电驱动的微液滴发生器，按需产生液滴，液滴体积（直径1~2.3毫米）由喷嘴尺寸控制，液滴速度（0~1米/秒）由喷嘴与基底之间的距离决定。

3）千眼狼高速摄像机（Revealer,X113M）。

图1

3 高速摄像可视化实验部分

基于高速摄像技术的实验研究关键在不同亲疏水表面上观察液滴的铺展、收缩、分裂、飞溅等行为，以10000fps/s速度、20μm/pixel的图像分辨率可视化记录液滴高速撞击的过程。

1）通过用紫外线/臭氧光照射覆盖有阴影掩码的疏水SiO2/OTS基底，将其暴露区域转化为亲水区域，从而创建混合湿润表面。原始SiO2/OTS基底的静态接触角SCA为Θpho=156°，暴露于紫外线/臭氧的区域的SCA为Θphi ，是曝光时间的函数，如图1。

2）紫外线/臭氧光波长为184纳米和254纳米，能够有效地分解有机化合物并产生反应，进而在阴影掩码覆盖的暴露表面上产生亲水效果，未暴露的SiO2/OTS涂层表面仍然保持疏水。通过紫外线/臭氧处理的时间来创建5°~156°接触角的来如图2。

图2

3）通过控制紫外线/氧气暴露时间改变亲水区域的静态接触角SCA，进而改变亲水/疏水条纹表面的SCA对比度（ΔΘ=Θpho-Θphi），开展水滴冲击实验。利用高速摄像机Revealer X113M可视化记录。实验中，水滴冲击亲水条纹，并桥接到两侧的亲水区域。当SCA对比度ΔΘ=86°时，雷诺数Re=200，韦伯数We=1.1，冲击的水滴不会分裂。亲水条纹上的液桥只是振荡，直到在图案区域上形成了一个“蝴蝶”形状的水桥，如图3。

图3

4）继续控制紫外线/氧气暴露时间，进行水滴冲击实验。当SCA对比度ΔΘ=126°时，雷诺数Re=200，韦伯数We=1.1，水滴在亲水条纹上落地后迅速收缩，并扩展到两侧的亲水区域，然后分裂、稳定，并局限于亲水区域，如图4所示。

图4

5）实验结果表明，亲水/疏水条纹表面的SCA对比度ΔΘ对水滴冲击和沉积特性有强烈的影响。

6）进一步采用基于体积分数VOF的数值模型进一步研究液滴冲击具有亲水/疏水图案的非均质润湿表面。同时采用基于液滴冲击带来的“动能”和“表面能”能量守恒原理的数学模型深入研究液滴分裂机制，预测液滴分裂现象。

4 研究结论

基于高速摄像的可视化实验结果，基于体积分数VOF的数值模拟结果，基于能量守恒数学模型计算结果三者吻合，在液滴分裂预测上是一致的。

研究结果表明，液滴的撞击速度、亲水/疏水对比度和条纹宽度是影响液滴分裂和沉积形态的主要因素，可为喷墨打印、微流控应用中更精准地操控液滴自组装能力提供质量依据。

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