软衬材料表面上的蒸发液滴诱导的微颗粒沉积动力学研究

Under the action of vertical component of liquid-vapor interfacial tension, the surface of soft substrates will be deformed by sessile droplet. Such a deformation will act as a barrier for the depinning of the three-phase contact line during droplet evaporation. As droplet evaporates, there will be a capillary flow towards the three-phase contact line to make the contact line pinned. Moreover, because of the difference of evaporation flux along the free surface, there might be a Marangoni flow inside the evaporating droplet induced by temperature gradient. The two kinds of internal flow will bring microparticles moving inside the droplet and affect the deposition pattern of microparticles after evaporation. This proposal plans to carry out evaporation experiments of pure/binary droplets and droplets containg microparticles on soft substrates via droplet dynamics observer platform with combination of infrared (IR) thermal imaging and Micro-Particle Image Velocity (Micro-PIV), to study evaporation of pure/binary droplet, surface temperature and internal flow of evaporating droplets, and deposition pattern of microparticles after evaporation of droplet on soft substrates from experiments, theory and numerical simulation，and to provide a novel and simple manufacturing method of deposition patterns to meet with the needs from industry members and academia.

在液气界面张力垂直分量的作用下，固着液滴会使得软衬材料产生表面变形，这将在液滴蒸发过程中阻碍三相接触线的移动。为保证三相接触线固定不动，液滴内部将形成流向三相接触线的毛细流，同时，由于蒸发液滴表面各处的蒸发通量的差异，将使得液滴内部形成由温度梯度引起的Marangoni对流。这些内部流动将会使得悬浮液液滴中的微颗粒在其内部不断运动，进而影响到蒸发后的微颗粒沉积图案。本项目申请将使用液滴动力学观测实验平台和显微观测设备，并借助红外热成像技术和Micro-PIV技术，开展单元/二元液滴、微颗粒悬浮液液滴在软衬材料表面上的蒸发实验，并结合理论分析和数值模拟系统研究单元或二元液滴的蒸发模式、蒸发液滴表面温度和内部流动以及软衬材料表面上的蒸发液滴诱导的微颗粒沉积图案的形成机制，旨在提出切实可行的简单快捷可控的颗粒沉积排布方案以满足工业界和学术界的需要。

由蒸发液滴诱导的微纳颗粒沉积在喷墨打印、功能材料、声子晶体、DNA/RNA测序和疾病控制等领域有着广泛的应用前景，因而受到了学术界的极大关注。本项目以聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)为基底，研究了具有不同表面电势的椭球间的静电力、由液滴蒸发引起的微颗粒沉积行为和乙醇/水溶液液滴在微结构PDMS表面上的蒸发行为。具体如下：(1) 得到了椭球间的静电力的解析解，并讨论了椭球尺寸和方位角的影响；(2) 借助于激光共聚焦显微镜，观察了蒸发液滴接触线附近的微颗粒的准静态运动行为，建立了微颗粒钉扎新机制，并利用这一机制解释了单一/混合微颗粒的沉积行为；(3) 发现沉降速度对沉积图案的形成有很大的影响；(4) 微柱的间距对液滴的润湿状态有很大的影响，但是对于凹坑状PDMS，无论凹坑的间距如何，液滴均以Cassie-Baxter润湿状态存在，微柱状PDMS表面上的水滴的前进角和后退角随着微柱间距的增大而增大，但是凹坑状PDMS表面上的前进角和后退角随着凹坑间距的增大而减小；(5) 基于泰勒展开定理定性解释了混合溶液边蒸发边铺展的行为，发现微结构PDMS表面上的混合液滴的奇特蒸发行为是由于基底与液滴间的黏附作用造成的。由于微结构表面与混合液滴之间存在较强的粘附作用，乙醇/水溶液液滴在微结构表面上首先是以常接触半径模式进行蒸发的。.本项目的研究成果有助于人们更好地理解和应用咖啡环效应，有助于扩大液滴和以PDMS为代表的软衬材料在微纳流体系统、喷墨打印、声子晶体和功能材料等领域的应用。