液滴湿润和自发输运的基底表面尺度效应研究

最新的研究发现，表面微结构当尺度小至数微米以下时，可产生显著且重要的效应，是实现稳定的超疏水特性和高速输运的关键。我们最近的工作为揭示这些现象和规律作出了多项开拓性贡献。本项目拟深入系统开展该新领域的研究，综合微结构和曲率表面的制备、实验、数值模拟和理论分析的方法，建立关于接触角、滚动角、迟滞性和自发运动的若干定量关系，并设计出具有高速液滴输运的微纳结构或装置。这项研究，将帮助理解自然界中许多微妙的湿润和输运现象，并可望在自清洁材料、生物仿生、微流动以及液滴输运等领域得到重要的应用，帮助我国在该领域的建立领先地位。

前期工作发现，表面微结构的尺度小至微米以下时，可产生许多显著且重要的效应。比如微结构尺度减小会引入线张力的影响，在一定尺度范围内可以显著增大液滴的接触角，从而增加表面的超疏水性，这对表面润湿来说是一个非常重要的性质。而小尺度下比表面积的增加也会引发很多新的现象，在润湿与液滴输运的领域尤其如此。项目进行的三年来，我们理论结合实验、模拟，深入系统地研究了基底表面性质（包括尺度效应）对润湿性及自发输运的影响，在润湿性及输运方向都取得了突破性进展，得到了非常丰硕的成果。.液滴输运方面，我们发现了曲率梯度可以驱动液滴高速输运，尤其是曲率梯度作为单一因素，可以驱动非常小的液滴（11.5nL）以高达0.42m/s的速度输运。这一速度比以前的同类结果高出了两个数量级。并且理论上，对于纳米级的液滴，速度可以达到百米每秒量级。该发现在液滴输运、微反应器制作、冷凝换热等应用领域有重大应用前景。.同时，水在双壁碳纳米管内的运动，由于水与内管的声子耦合而可能导致水在其中的扩散速度提高5倍。该发现可以大大降低水在双壁碳纳米管内的运动阻力，在水渗透膜设计及海水淡化领域有重要应用前景。.润湿方向，我们研究了基底温度对固着液滴沉积形貌的影响，发现增加基底温度可以连续改变环状沉积为更均匀的沉积形貌，在喷墨打印、颗粒自组装领域有重要应用；研究了表面颗粒浓度对液滴接触线钉扎的影响；发现接触角钉扎可以反常地充当弹簧力而起到回复作用。.这些工作在润湿与液滴输运领域都是绝对原创的发现，并且在工业应用领域有直接或者潜在的重要应用。