表面微觀形貌對(duì)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(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用極大地促進(jìn)了微流體科技的發(fā)展，同時(shí)也為微流體研究領(lǐng)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(yuǎn)大于宏觀尺度流道，所以對(duì)如何有效減小微納尺度流道中固液間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。邊界滑移長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為可以代表固液間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力的一個(gè)參數(shù)，從而吸引了眾多研究者的關(guān)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(dòng)阻力，目前已有研究認(rèn)為表面微觀形貌對(duì)固體表面的潤(rùn)濕性和粘滯力有重要影響，因此，深入研究表面微觀形貌對(duì)邊界滑移的影響，進(jìn)而研究表面微觀形貌對(duì)流體流動(dòng)阻力的影響是可行的。
　　本文通過(guò)測(cè)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(duì)表面潤(rùn)濕性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)表面潤(rùn)濕性產(chǎn)

3、生影響，尖銳密集的凸起形態(tài)可增強(qiáng)表面疏水性，而圓滑平緩的凸起形態(tài)有利于增強(qiáng)表面親水性；表面粗糙度的增大使接觸角增大，疏水性增強(qiáng)。對(duì)于疏水的OTS表面，表面形貌形態(tài)對(duì)潤(rùn)濕性幾乎無(wú)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(shù)測(cè)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(zhǎng)度，研究了表面微觀形貌對(duì)邊界滑移的影響，同時(shí)結(jié)合前述表面微觀形貌對(duì)表面潤(rùn)濕性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，綜合分析了表面微觀形貌和表面

4、潤(rùn)濕性對(duì)邊界滑移的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米尺度表面微觀形貌對(duì)邊界滑移無(wú)直接影響，而表面潤(rùn)濕性對(duì)邊界滑移有重要影響，在親水的硅表面上邊界滑移長(zhǎng)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(rùn)濕性的改變可對(duì)邊界滑移產(chǎn)生更大影響。通過(guò)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(qū)動(dòng)壓強(qiáng)差對(duì)流體流動(dòng)阻力和有效邊界滑移長(zhǎng)度的影響。仿真結(jié)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(qū)動(dòng)壓強(qiáng)差均對(duì)微流道中流體流體阻力產(chǎn)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(qū)動(dòng)壓強(qiáng)差對(duì)有效邊界滑移長(zhǎng)度無(wú)影響。氣液接觸比的增大，可以顯著減小流體流動(dòng)阻力和增大有效邊界滑移長(zhǎng)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(dāng)流體沿其溝槽經(jīng)向流動(dòng)時(shí)，流體流動(dòng)阻力明顯減小，有效滑移長(zhǎng)度顯著增大，體現(xiàn)出優(yōu)越的滑移減阻性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)