表面微觀形貌對固液界面邊界滑移和流體阻力影響的研究.pdf

1、微流體裝置在生物、化學和醫(yī)療領域的應用極大地促進了微流體科技的發(fā)展，同時也為微流體研究領域提出了諸多課題與挑戰(zhàn)，由于微納米尺度流道具有較大的表面積/體積比，使得流道的阻力遠大于宏觀尺度流道，所以對如何有效減小微納尺度流道中固液間的相對運動阻力的研究具有重要的理論意義和應用價值。邊界滑移長期以來被認為可以代表固液間的相對運動阻力的一個參數，從而吸引了眾多研究者的關注。在影響邊界滑移的諸多因素中，表面微觀形貌可顯著改變固液界面的接觸狀態(tài)，從

2、而影響界面處的流體流動阻力，目前已有研究認為表面微觀形貌對固體表面的潤濕性和粘滯力有重要影響，因此，深入研究表面微觀形貌對邊界滑移的影響，進而研究表面微觀形貌對流體流動阻力的影響是可行的。
　　本文通過測量去離子水在具有不同表面微觀形貌的親水的硅樣本與疏水的十八烷基三氯硅烷自組裝分子膜（OTS）樣本上的接觸角，探究了納米尺度表面微觀形貌對表面潤濕性的影響。實驗結果表明，在親水的硅樣本表面上，表面形貌形態(tài)與表面粗糙度均對表面潤濕性產

3、生影響，尖銳密集的凸起形態(tài)可增強表面疏水性，而圓滑平緩的凸起形態(tài)有利于增強表面親水性；表面粗糙度的增大使接觸角增大，疏水性增強。對于疏水的OTS表面，表面形貌形態(tài)對潤濕性幾乎無影響，而表面粗糙度的增大可明顯增大表面的疏水性。利用AFM膠體探針技術測量了去離子水在不同表面微觀形貌的親水硅表面與疏水的OTS表面的邊界滑移長度，研究了表面微觀形貌對邊界滑移的影響，同時結合前述表面微觀形貌對表面潤濕性影響的實驗結論，綜合分析了表面微觀形貌和表面

4、潤濕性對邊界滑移的影響。實驗結果表明，納米尺度表面微觀形貌對邊界滑移無直接影響，而表面潤濕性對邊界滑移有重要影響，在親水的硅表面上邊界滑移長度幾乎為0，而在疏水的OTS表面上存在幾十到近百納米的邊界滑移，且在疏水的OTS表面上由微觀形貌引起的表面潤濕性的改變可對邊界滑移產生更大影響。通過有限元仿真，研究了五種狀態(tài)的Cassie態(tài)表面上，表面形貌、氣液接觸比、流道高度與驅動壓強差對流體流動阻力和有效邊界滑移長度的影響。仿真結果表明，Cas

5、sie態(tài)表面微觀形貌、氣液接觸比、流道高度與驅動壓強差均對微流道中流體流體阻力產生影響，表面微觀形貌和氣液接觸比是影響有效邊界滑移的重要因素，而流道高度與驅動壓強差對有效邊界滑移長度無影響。氣液接觸比的增大，可以顯著減小流體流動阻力和增大有效邊界滑移長度。比較了各種形貌的Cassie態(tài)模型，在具有溝槽形Cassie態(tài)表面的流道中，當流體沿其溝槽經向流動時，流體流動阻力明顯減小，有效滑移長度顯著增大，體現出優(yōu)越的滑移減阻性。通過實驗研究發(fā)