基于振动诱导的硅表面微纳复合结构上冷凝液滴自迁移特性研究

In this project, we propose a silicon surface for quickly collecting fog, which can be used as the input of the chip detecting the composition of fog. The surface is decorated with micro V-grooves and nano pillars and fabricated using micro machining method. By controlling the dimensions of micro-nano structures and vibration parameters of silicon base we control the droplet self-removing process during condensation to quickly collect fog samples and directionally transport them into the chip detecting the composition of fog. Study includes (1) Based on thermal resistance model, we study the dimensional scopes of nanostructures when the condensation droplets on the bottom of nanostructures are in PW-Cassie wetting state.(2) Based the contact line moving-sticking theory, we study the dynamic behaviors of transferring PW-Cassie droplets into Cassie droplets in base vibration conditions. (3) Based on liquid-solid-vapor interface theory, we study the rolling behaviors of the Cassie small droplets on inclined surfaces of V-grooves in base vibration conditions. (4) Based on liquid-solid-vapor interface theory, we study the directionally moving behaviors of big droplets in V-grooves. The novel point of proposed method is that by using micro-nano structures and base vibration we control the dynamic behaviors of droplets on condensation surface to directionally collectwater from fog. Based on study results we will develop the practical quickly-detecting chip for fog ingredients.

本项目针对雾滴成分检测芯片的样品自动采集问题，提出了一种雾滴快速采集硅表面。硅表面上采用微机械工艺制作出V形槽-圆柱微纳米双层复合结构。通过微纳米结构的几何参数和硅基底的振动参数来控制雾滴冷凝过程中液滴的自迁移过程，实现雾滴样品快速采集，定向输送到雾滴成分检测芯片中。研究内容为：（1）采用热阻模型，研究纳米结构底部冷凝小液滴为PW-Cassie浸润状态时纳米结构几何参数范围。（2）基于液滴三相接触线固着-移动理论，研究基础振动条件下PW-Cassie小液滴转变为Cassie小液滴的动态行为。（3）基于接触线固着-移动理论，研究基础振动条件下V型槽斜面上Cassie小液滴的滚动行为。（4）基于接触线固着-移动理论，研究基础振动条件下V型槽中大液滴的定向运动行为。所提方法主要创新为通过微纳结构和基础振动来控制冷凝表面的液滴动态行为，快速定向集水。依据研究结果将开发出实用的雾滴成分快速检测芯片。

目前为止，微纳米双层复合结构滴状冷凝超疏水表面的设计制造方法和其传热传质模型远未达到实际应用阶段，存在很多需要完善的方面。主要有（a）计算冷凝液滴合并弹跳行为时都认为冷凝液滴是球形的，导致形态和浸润状态计算结果存在较大偏差。（b）采用热阻模型分析冷凝液滴传热传质时球形冷凝液滴内部导热阻都采用Kim的一维传热模型，计算结果存在较大偏差。（c）采用微米-纳米双层结构在硅基上实现高效滴状冷凝传热时，通常微米结构采用金字塔结构，纳米结构用DRIE刻蚀制作，不能很好地可控制造。（d）预测液滴在倾斜微纳结构表面上重力作用下的运动状态时，通常假设液滴前后表观接触角相同且接触线宽度为接触圆直径，导致了较大的预测误差。本项目研究内容针对上述模型和设计制造方法的不足提出了许多改进措施。（1）提出了非球PW-Cassie冷凝液滴形态的三参数解析模型，依据模型研究了PW-Cassie液滴合并弹跳时能量变化的情况，给出了弹跳的判别式和弹跳动能的计算式。（2）获得了一个球形冷凝液滴内部导热阻的半解析模型，用于热阻网络，修正了已有的Kim模型。（3）采用微机械和化学工艺在硅表面上制作出微米四棱台-纳米颗粒双层复合结构，实验研究了冷凝液滴在该结构超疏水硅表面上的核化、生长、合并和脱落的现象机理机理。（4）基于最小能量法和最小能量耗散原理，理论分析和数值方法求解了液滴在微纳结构表面上的前进角/后退角，求解了液滴在倾斜表面上的前/后向接触角，获得了液滴在倾斜微纳结构表面上重力作用下形态和浸润状态的变化规律，给出了液滴6种运动状态的判定方法，实验验证了该方法的正确性。项目研究成果对新型高效冷凝换热表面的设计具有重要的指导意义。以上研究成果在国内外本领域主要刊物上发表了 SCI、El和会议论文5篇，其中SCI1/2区期刊论文2篇，EI论文1篇，会议论文1篇和核心期刊论文1篇。获授权发明专利4项和授权实用新型1项。培养了和正在培养研究生11名，包括已毕业硕士生5人、在读博士生1人和在读硕士生5人。