ANISOTROPIC WETTING BEHAVIORS OF DROPLETS ON THE SURFACE OF ASYMMETRICAL MICROGROOVES
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摘要: 液滴在各向异性表面的润湿行为对于液滴操作和运动控制具有重要的科研与工程价值. 采用重力式测试系统对非对称沟槽表面上液滴各向异性润湿行为进行表征, 分析了沟槽几何结构非对称性、沟槽高度和宽度以及浸油处理对液滴静润湿与动润湿行为的影响规律. 结果表明, 沟槽几何结构不对称性会影响液滴润湿状态, 液滴在非对称沟槽表面不同方向上接触角差异比对称沟槽更大, 使得各向异性更显著; 浸油处理会减小沟槽表面液滴接触角, 从而表现出更明显的各向异性; 非对称沟槽表面的接触角随沟槽高度增大而减小, 随宽度增大而增大, 表面浸油处理会缩小试件间接触角的差异, 高度和宽度对浸油处理后的非对称表面的调控作用基本失效; 当沟槽宽度增加时, 浸油处理后的非对称沟槽表面滑动角减小, 同时液滴沿非对称沟槽大顶角向小顶角方向运动时的滑动角大于沿反方向运动时的滑动角, 且液滴体积越大, 滑动角越小. 最后, 对上述规律进行了接触线理论分析, 并从表面能模型角度推导出滑动角理论公式, 与实验结果基本吻合.Abstract: The wetting behaviors of droplets on anisotropic surface have importantly scientific research and engineering value for the control of droplet operation and movement. In the paper, a gravity test system is used to characterize the anisotropic wetting behaviors of droplets on the surface of asymmetric grooves, and the effects of groove geometry asymmetry, groove height and width, and oil immersion treatment on droplet static and dynamic wetting behaviors are studied.The results indicate that geometric asymmetry of the groove affects the wetting state of the droplet, and the difference of the contact angle of the droplet in different directions on the surface of the asymmetric groove is greater than that in the symmetrical groove, so the anisotropy of the asymmetric groove surface is more significant than that of the symmetric groove surface. The contact angle of droplets on grooves surface with oil immersion treatment decreases, resulting in more significant anisotropy than that in the non-oil immersion state. The contact angle of the asymmetric groove surface decreases with the increase of the groove height h, and increases with the increase of the width c. The regulation effect of height and width on the asymmetric surface after oil immersion is basically ineffective with the same contact angle anisotropy characteristics in different specimens basically due to the difference of contact angle among specimens reduced by surface oil immersion treatment. When the width of the groove increases, the sliding angle of the surface of the asymmetric grooves decreases. At the same time, the sliding angle of the droplet moving along the direction of the asymmetric groove from the large top angle to the small top angle is larger than that in the opposite direction, and the larger the droplet volume, the smaller the sliding angle. Finally, the above laws are analyzed by contact line theory, and the slip angle theory formula is derived from the surface energy model, which is basically consistent with the experimental results.
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Keywords:
- asymmetrical microgrooves /
- anisotropic wetting /
- immersion oil /
- contact angle /
- sliding angle
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引 言
自然界中存在很多天然的各向异性表面, 例如具有微米级乳突结构的荷叶[1] , 一、二级径向脊微结构的猪笼草顶瓶[2] , 微米矩形鳞片周期性排列的蝴蝶翅膀[3]等. 液滴在各向异性表面的润湿行为对于液滴操作和液滴运动的智能控制具有重大的科学和经济意义[4-5], 广泛应用于生物化学检测[6-7]、水收集[8]、微流控[9-10]、水下减阻[11-13]等领域.
化学性质异性或者物理结构不对称的表面均会在特定方向产生不平衡力, 表现出各向润湿异性[14]. 沟槽表面是一种受到广泛关注的构建各向异性表面的方法[15-20], Ding等[15]提出了一种计算液滴在沟槽表面Cassie状态下临界滑动角的方法, 发现疏水矩形沟槽表面的液滴临界滑动角与垂直于运动方向的三相接触线长度及肋条与沟槽的宽度比密切相关; 董琪琪等[16]发现, 水滴振荡周期与沟槽间距无关, 且由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应, 致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律, 呈现振荡数次后直接趋稳的特点; Sun 等[17]发现液体Al-Si5的润湿性在沟槽表面呈现出各向异性, 在沟槽垂直方向上润湿性受到抑制, 在沟槽平行方向上润湿性得到促进. Sureshvarr等[18]发现随着微槽深度与宽度的比值和凹槽间距与凹槽宽度的比值的增大, 液滴形态由椭球形向球形转变.
除了常见的矩形沟槽外, 还有学者对其他类型的沟槽进行了研究. Hao等[21]结合动力学模拟与理论分析, 揭示了水滴在楔形槽界面上同一位置的反方向运动机理, 还发现水滴在沟槽越高、开孔角越大、疏水性越强的表面上运动越快. Khan等[22]使用Surface Evolver (SE)分析了微V型槽表面粗糙度参数对润湿行为的影响, 并与相应的微V型槽表面粗糙度的节距、幅值和深度的尺寸变化进行了比较, 发现具有微波纹理的表面比微V型槽表面具有更高的润湿性和更小的稳定液滴. 赵坤[23]通过液滴接触角和滑动角实验, 验证光滑直沟槽圆弧阵列和光滑倾斜沟槽直线阵列存在各向异性的阻力. 学者们对于对称沟槽表面润湿特性已有系统研究, 但对几何非对称沟槽表面润湿异性行为仍缺乏细致分析.
此外, 受猪笼草袋状叶内壁多孔结构分泌蜡状黏液物质机制[24]的启发, 通过在微结构表面灌注低表面能液体, 可以形成具有较大接触角及较小滑动角的超滑表面(SLIPS)[25], 水滴、低表面能油滴(十六烷等)、水下气泡都能够在超滑表面上轻松滑动[26-27]. 这类超滑表面具有自愈、防冰和防生物污染[28-30]等特殊功能, 在液滴微反应和微流体技术等领域表现出极大的优势和潜在应用价值[31]. 不过, 目前关于非对称沟槽表面浸油后润湿行为的报道还较少.
为此, 本工作采用重力式测试系统测试了非对称沟槽表面上液滴各向异性润湿行为, 并分析了沟槽几何结构非对称性、沟槽高度和宽度以及浸油处理对液滴静润湿与动润湿行为的影响规律, 以增进对非对称沟槽表面润湿行为的认识.
1. 实验部分
1.1 样品制备
这里设计了不同几何尺寸的锯齿形沟槽, 其结构示意图如图1(a)所示. 其中, h和c分别表示沟槽的高度和宽度、$ \alpha $和$ \beta $表示沟槽的两个顶角, 红色箭头A和B表示液滴运动的两个方向. 所有试件均采用3D打印技术(FabPro 1000)制备, 所用材料为光敏树脂, 实际被测表面如图1(b)所示. 实验制备的表面微结构参数如表1所列, 其中微结构的尺寸误差为 ± 0.02 mm, 角度误差为 ± 2.3°. 浸油处理前的沟槽表面液滴滑动角大于90°, 在增大表面倾角过程中液滴始终钉扎在表面无法运动, 如图1(d)所示. 采用反复涂刷的方式在制备好的沟槽表面上浸润黏度为5100 cP的硅油(sygard 184 silicone elastomer)薄层. 观察沟槽侧面硅油的浸润情况, 保证硅油铺满整个沟槽表面且在沟槽锯齿底部不产生沉积和填充, 通过沟槽顶部明亮区域的分布判断油膜均匀度, 如图1(f)所示. 此外, 浸油沟槽表面在表征时, 考虑到硅油重力和挥发性等因素的影响, 在确保涂刷均匀后的30 s内完成一次测量.
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图 1 (a)沟槽结构示意图; (b)被测沟槽表面; (c)测量方向; (d)液滴在沟槽表面滑动角大于90°; (e)未浸油沟槽表面; (f)浸油沟槽表面Figure 1. (a) Schematic diagram of grooves structure; (b)The tested grooves surface; (c) Multiple directions measurement; (d) The droplet on the groove surface with sliding angle greater than 90°; (e) Non-immersion oil surface; (f) Immersion oil surface表 1 沟槽的尺寸参数Table 1. Parameters of grooves used in the experimentsSpecimens α/(°) β/(°) $ h/{\mathrm{mm}} $ $ c/{\mathrm{mm}} $ 1# 44.04 44.04 0.29 0.60 2# 55.22 23.76 0.20 0.60 3# 55.95 29.76 0.25 0.60 4# 55.00 36.19 0.30 0.61 5# 56.59 38.23 0.32 0.53 6# 50.03 39.21 0.35 0.69 7# 36.61 36.10 0.34 0.91 1.2 表面润湿行为的表征
实验用重力式测试装置如图2所示, 由接触角测量仪(OCA15EC)与固定在其上的水平旋转平台和倾角平台组成. 实验测量液体采用去离子水, 温度约为20 °C, 湿度约30%, 光滑表面接触角为106.61° ±2.65°. 在测量前, 将倾角平台调至水平, 使用倾角仪对平面水平度进行校验以排除装置的干扰. 静态表征时, 将倾角平台调节至水平, 测试液滴体积选用10 µL. 为更好地表征沟槽表面液滴润湿行为的各向异性, 精确测试待测表面360°范围的接触角, 如图1(c)所示, 每间隔30°测量一个值. 测量时, 取同一位置液滴两侧接触角平均值作为接触角测量结果. 为便于理解, 规定0°和180°方向为沟槽的平行方向, 90°和270°方向为沟槽的垂直方向. 动态表征时, 先将倾角平台调节至水平, 调整待测沟槽表面, 使摄像机视野处于0°观测角度. 将56, 46, 32和18 µL系列体积的液滴滴在待测沟槽表面上, 调节重力式测试系统使试件表面倾斜, 摄像机记录液滴随平板倾斜整个运动过程. 采用图像处理技术读取倾斜角, 实验中将液滴起始滑动的倾斜角作为液滴的滑动角.
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图 2 重力式测试系统Figure 2. Gravity test system1: light source, 2: micro pump, 3: grooves specimen, 4: horizontal rotating platform, 5: inclined platform, 6: lifting platform, 7: camera2. 结果与分析
2.1 非对称沟槽表面静润湿规律
为研究沟槽几何结构对称性对表面液滴润湿行为的影响, 测试了试件1#和4#的接触角, 结果如图3所示. 从中可以发现, 液滴在平行方向的接触角为最大值, 随液滴被测方向与沟槽平行方向夹角越大, 接触角逐渐变小, 在垂直方向达到接触角最小值, 且非对称沟槽不同方向上接触角差异比对称沟槽更大. 其产生原因在于沟槽侧壁及顶端对液滴具有阻隔作用, 约束液滴铺展, 而测量方向与平行方向夹角越大, 沟槽对液滴的阻隔作用逐渐减弱, 液滴容易铺展, 接触角越小. 同时, 非对称沟槽本身结构的不对称性扩大了不同方向阻隔作用的差异, 使得非对称沟槽表面各向异性更明显. 浸油处理后, 两个沟槽表面液滴接触角均减小, 导致各向异性比非浸油状态更显著, 非对称沟槽表面接触角范围甚至跨越亲疏水两个区域. 对于未浸油状态, 沟槽齿面自身的粗糙度和沟槽的尺寸参数共同影响非对称沟槽表面的接触角, 且粗糙度对沟槽表面影响的比重更大; 浸油后, 沟槽齿面形成超滑表面, 粗糙度远小于未浸油状态, 此时沟槽表面的接触角主要由沟槽尺寸参数决定, 不同角度尺寸参数影响不同, 因而各向异性更显著.
沟槽高度h和宽度c对非对称沟槽表面接触角的影响结果见图4. 在非浸油状态下, 当宽度c和顶角$ \alpha $不变时, 随着沟槽高度h的增大, 沟槽接触角逐渐减小(见图4(a)); 而当高度h和顶角$ \beta $不变时, 沟槽接触角随宽度c增大而增大(见图4(c)). 因此, 通过改变微沟槽结构参数可以实现对液滴各向异性润湿行为进行调控. 表面浸油处理会缩小试件间接触角的差异, 不同试件表面的液滴静态接触角大小相近, 如图4(b)和4(d)所示, 高度和宽度对浸油处理后的非对称沟槽表面的调控作用基本失效, 不同试件具有基本相同的接触角各向异性特征.
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图 4 沟槽(a) ~ (b)高度和(c) ~ (d)宽度对接触角的影响 (续)Figure 4. Influences of groove (a) ~ (b) height and (c) ~ (d) width of on contact angle (continued)2.2 非对称沟槽表面动润湿规律
浸油处理后的沟槽表面液滴具有较小的滑动角, 液滴可以在浸油后的沟槽表面上滑动. 图5为不同体积的液滴在浸油非对称沟槽表面(试件5# ~ 7#)上沿A和B两个方向运动的滑动角随沟槽宽度c的变化规律. 从图5可以看出, 随沟槽宽度c增大, 非对称沟槽表面沿两个方向的滑动角基本呈现减小趋势. 这可能是由于沟槽宽度c增加, 沟槽更趋近于平缓, 三相接触线连续性更好, 滑动更加容易, 滑动角减小. 对比图5(a)和图5(b), 液滴沿A方向运动的滑动角大于沿B方向运动的滑动角, 其中A方向表示沿沟槽表面大顶角向小顶角运动方向, B方向表示沿沟槽小顶角向大顶角运动方向. 从图5中还可以发现, 随液滴体积增加, 液滴沿两个方向运动的滑动角均表现出逐渐减小的趋势.
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图 5 宽度对非对称沟槽表面滑动角的影响Figure 5. Influence of groove width on the sliding angle of asymmetric grooves surface2.3 理论分析
(1)静态接触角
Wenzel模型[32]定义了粗糙表面上液滴的完全均匀润湿现象, 该模型用于预测表面完全润湿且仅由固液界面组成的表观接触角. 由Wenzel模型相应表观接触角$ \theta $, 在微沟槽表面上可以定义如下
$$ \cos \theta = r\cos {\theta _0} _{ } $$ (1) 其中, $ {\theta _0} $是光滑表面本征接触角, r为表面粗糙度比, 定义为液滴宏观尺度表面积与边缘位置的投影面积之比, 沟槽平行方向的表面粗糙度比
$$ {r_\parallel } \gt 1 $$ (2) 沟槽垂直方向的表面粗糙度比
$$ {r_ \bot } = 1 $$ (3) 而在非对称沟槽表面上, 各个方向的表面粗糙度比因角度引起的结构差异而不同, 表面粗糙度比介于二者之间
$$ {r_ \bot } \lt r \lt {r_\parallel } $$ (4) 随着测量方向与平行方向夹角增大, 表面粗糙度比逐渐减小, 液滴容易铺展, 接触角越小, 在垂直方向达到接触角最小值.
由于非对称沟槽锯齿形齿尖结构产生能壁垒, 液滴的三相接触线钉扎. 在图6(a)中, 固定$ \alpha $角和宽度c, 本征接触角$ {\theta _0} $因表面材料相同而保持不变, 高度h的增大会导致三相接触线整体逆时针旋转, 液滴轮廓线从3过渡到2, 再到1, 本征接触角$ {\theta _0} $也随之逆时针偏斜, 表观接触角变小; 在图6(b)中, $ \beta $角和高度h不变时, 宽度c增大引起液滴轮廓线从6逐渐过渡到4, 三相接触线逆时针旋转, 本征接触角$ {\theta _0} $也随之偏斜, 沟槽表面的表观接触角增大. 当表面浸油处理后, 沟槽齿尖钉扎可能会减弱或者消失, 油膜的存在使得高度和宽度变化引起的差异减弱, 致使浸油条件下接触角相近.
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图 6 沟槽尺寸参数对非对称沟槽接触角的影响Figure 6. Influence of parameters of grooves on the contact angle of asymmetric grooves surface(2)滑动角
忽略液滴在浸油状态的沟槽表面上因毛细力作用沿沟槽方向的扩展, 稳定状态时液滴因沟槽齿尖能量壁垒而钉扎. 液滴移动满足以下条件: 当满足$ \theta \leqslant {\theta _0} - \beta $时, 液滴右侧边缘将向左移动; 当满足$ \theta \geqslant {\theta _0} + \alpha $时, 液滴右侧边缘将向右移动; 当满足$ \theta \leqslant {\theta _0} - \alpha $时, 液滴左侧边缘将向右移动; 当满足$ \theta \geqslant {\theta _0} + \beta $时, 液滴左侧边缘向左移动[33].
如图7(a)所示, 当沟槽表面沿顺时针方向倾斜时, 右侧表观接触角$ {\theta _{{\mathrm{right}}}} $逐渐增大, 左侧接触角$ {\theta _{{\mathrm{left}}}} $逐渐变小, 当$ {\theta _{{\mathrm{right}}}} $增至$ {\theta _0} + \alpha $时, 液滴右侧边缘向右移动, 而当满足$ {\theta _{{\mathrm{left}}}} \leqslant {\theta _0} - \alpha $条件时, 液滴左侧边缘向右移动, 同时满足两个条件, 液滴会沿A方向滑动; 在测量B方向的滑动角时, 如图7(b)所示, 沟槽表面逐渐向逆时针方向倾斜, 左侧表观接触角$ {\theta _{{\mathrm{left}}}} $逐渐增大, 右侧表观接触角$ {\theta _{{\mathrm{right}}}} $逐渐变小. 当$ {\theta _{{\mathrm{left}}}} $增大至$ {\theta _0} + \beta $时, 液滴左侧边缘向左移动, 而当满足$ {\theta _{{\mathrm{right}}}} \leqslant {\theta _0} - \beta $条件时, 液滴右侧边缘向左移动, 当两个条件均满足时, 液滴将沿B方向滑动. 对于同一表面, 因设计沟槽顶角满足$ \beta \lt \alpha $, 得到$ {\theta _0} + \beta \lt {\theta _0} + \alpha $, $ {\theta _0} - \beta \gt {\theta _0} - \alpha $. 在$ \theta $增大过程中, 优先达到$ \theta \geqslant {\theta _0} + \beta $, 而随$ \theta $减小, 先满足$ \theta \leqslant {\theta _0} - \beta $条件, 因而液滴更倾向于沿小顶角向大顶角方向移动. 因此, 液滴在沟槽表面沿大顶角向小顶角运动方向(A方向)的滑动角大于沿小顶角向大顶角运动方向(B方向)的滑动角.
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图 7 两个方向对非对称沟槽滑动角的影响Figure 7. Influence of two directions on the sliding angle of asymmetric grooves surface液滴在浸油沟槽表面运动, 液滴与固体表面接触的单位面积黏附能
$$ \Delta E = {\gamma _{{\mathrm{oil}}/{\mathrm{air}}}} + {\gamma _{{\mathrm{air}}/{\mathrm{water}}}} - {\gamma _{{\mathrm{oil}}/{\mathrm{water}}}} $$ (5) 其中, $ {\gamma _{{\mathrm{oil}}/{\mathrm{air}}}} $, $ {\gamma _{{\mathrm{air}}/{\mathrm{water}}}} $和$ {\gamma _{{\mathrm{oil}}/{\mathrm{water}}}} $分别表示油膜与气体、气体与液滴和油膜与液滴的表面张力. 根据接触角公式$ \cos {\theta _0} = r\dfrac{{{\gamma _{{\mathrm{oil}}/{\mathrm{air}}}} - {\gamma _{{\mathrm{oil}}/{\mathrm{water}}}}}}{{{\gamma _{{\mathrm{air}}/{\mathrm{water}}}}}} $[34-35], $ {\theta _0} $为油−水界面接触角, r为液滴边缘位置的平面投影与宏观尺度表面积之比, 则
$$ \Delta E = {\gamma _{{\text{water}}/{\mathrm{air}}}}\left(1 + \frac{{\cos {\theta _0}}}{r}\right) $$ (6) 根据能量守恒定律, 由于液滴向下运动, 黏附能必须通过重力势能进行平衡[36], 则有
$$ \rho Vg\sin \varphi \cdot COM = \Delta E \cdot \Delta S $$ (7) 其中, $ \rho $是液滴密度, g是重力加速度, $ \varphi $是液滴滑动角, COM是液滴质量中心和V为液滴体积, $ \Delta S $是液滴与沟槽表面接触面积. 根据式(6), 则
$$ \sin \varphi = \frac{{{\gamma _{{\mathrm{water}}/{\mathrm{air}}}}(1 + \dfrac{{\cos {\theta _0}}}{r}) \cdot \Delta S}}{{\rho Vg \cdot COM}} $$ (8) 假设液滴与沟槽表面接触的区域为半径为R0的圆形区域, 有
$$ {R_0} = R\sin \theta = {\left[ {\frac{{3V}}{{\text{π} {{(1 - \cos \theta )}^2}(2 + \cos \theta )}}} \right]^{1/3}}\sin \theta $$ (9) 其中, $ \theta $为液滴表观接触角, R为液滴半径. 当我们不考虑表面粗糙比对表面的影响时$ r = 1 $, 将式(9)代入式(8), 则
$$ \sin \varphi = \frac{{{3^{2/3}}{\text{π} ^{1/3}}{\gamma _{{\mathrm{water}}/{\mathrm{air}}}}{{\sin }^2}\theta (1 + \cos {\theta _0})}}{{\rho g \cdot COM \cdot {{(1 - \cos \theta )}^{4/3}}{{(2 + \cos \theta )}^{2/3}}}} \cdot {V^{ - 1/3}} $$ (10) 对于浸油状态的沟槽表面, 液滴在不同试件表面的平行方向接触角近似相等, 使得液滴接触角$ \theta $近似相等, 可发现非对称沟槽表面液滴的滑动角仅仅与液滴的质量中心COM和液滴体积V有关. 对浸油状态的同一试件表面, 液滴体积越大, 其对应的质量中心越大[36], 则随液滴体积增加, 液滴的滑动角下降. 将非对称沟槽浸油状态实验结果整理为sin$ \varphi $关于变量V−1/3的拟合结果, 如图8所示, 从图中可以发现, 对于c = 0.53和c = 0.69, 趋势走向大概呈现线性关系. 此外, c = 0.53的试件, A方向的线性度比B方向更好, 说明沟槽的不对称性有影响作用, A方向更接近于假设条件下光滑平板的滑动角. 对于式(8), 整个试验过程中, 液滴与气体的表面张力、液滴密度、重力加速度保持不变. 对于相同的液滴, $ \Delta S$, V和COM均相同, 区别在于A方向液滴边缘位置的投影面积大于B方向, 因而A方向的滑动角大于B方向的滑动角.
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图 8 sin$ \varphi $与$V^{-1/3} $线性拟合结果Figure 8. sin$ \varphi $and $V^{-1/3} $ linear fit results3. 结 论
(1)沟槽几何结构不对称性会影响液滴润湿状态, 液滴在非对称沟槽表面不同方向上接触角差异比对称沟槽更大, 表现出更明显的各向异性. 浸油处理会减小沟槽表面液滴的接触角, 导致各向异性比非浸油状态更显著.
(2)非对称沟槽表面的接触角随沟槽高度h增大而减小, 随宽度c增大而增大. 表面浸油处理会缩小试件间接触角的差异, 高度和宽度对浸油处理后的非对称表面的调控作用基本失效.
(3)当沟槽宽度增加时, 沟槽表面滑动角减小; 非对称沟槽表面液滴沿沟槽的大顶角向小顶角方向运动的滑动角比沿反方向大; 同时随液滴体积增加, 滑动角均减小; 最后对上述规律进行了接触线理论和表面能模型分析, 并对变化规律进行解释.
此外, 受实验装置的限制, 论文未能定量观测油膜厚度和浸油状态对湿润行为的影响, 对沟槽宽度和高度的定量分析存在不足, 相关研究仍有待进一步深入.
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图 1 (a)沟槽结构示意图; (b)被测沟槽表面; (c)测量方向; (d)液滴在沟槽表面滑动角大于90°; (e)未浸油沟槽表面; (f)浸油沟槽表面
Figure 1. (a) Schematic diagram of grooves structure; (b)The tested grooves surface; (c) Multiple directions measurement; (d) The droplet on the groove surface with sliding angle greater than 90°; (e) Non-immersion oil surface; (f) Immersion oil surface
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图 2 重力式测试系统
Figure 2. Gravity test system
1: light source, 2: micro pump, 3: grooves specimen, 4: horizontal rotating platform, 5: inclined platform, 6: lifting platform, 7: camera
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图 4 沟槽(a) ~ (b)高度和(c) ~ (d)宽度对接触角的影响 (续)
Figure 4. Influences of groove (a) ~ (b) height and (c) ~ (d) width of on contact angle (continued)
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图 5 宽度对非对称沟槽表面滑动角的影响
Figure 5. Influence of groove width on the sliding angle of asymmetric grooves surface
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图 6 沟槽尺寸参数对非对称沟槽接触角的影响
Figure 6. Influence of parameters of grooves on the contact angle of asymmetric grooves surface
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图 7 两个方向对非对称沟槽滑动角的影响
Figure 7. Influence of two directions on the sliding angle of asymmetric grooves surface
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图 8 sin$ \varphi $与$V^{-1/3} $线性拟合结果
Figure 8. sin$ \varphi $and $V^{-1/3} $ linear fit results
表 1 沟槽的尺寸参数
Table 1 Parameters of grooves used in the experiments
Specimens α/(°) β/(°) $ h/{\mathrm{mm}} $ $ c/{\mathrm{mm}} $ 1# 44.04 44.04 0.29 0.60 2# 55.22 23.76 0.20 0.60 3# 55.95 29.76 0.25 0.60 4# 55.00 36.19 0.30 0.61 5# 56.59 38.23 0.32 0.53 6# 50.03 39.21 0.35 0.69 7# 36.61 36.10 0.34 0.91 
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[1] Neinhuis C, Barthlott W. Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces. Annals of Botany, 1997, 79(6): 667-677 doi: 10.1006/anbo.1997.0400
[2] Chen HW, Zhang PF, Zhang LW, et al. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature, 2016, 532: 85-89 doi: 10.1038/nature17189
[3] Zheng YM, Gao XF, Jiang L. Directional adhesion of superhydrophobic butterfly wings. Soft Matter, 2007, 3(2): 178-182 doi: 10.1039/B612667G
[4] 胡志英, 葛鹏, 张俊虎. 各向异性浸润表面在液体操控中的应用. 分子科学学报, 2021, 37(5): 398-407 (Hu Zhiying, Ge Peng, Zhang Junhu. Applications of anisotropic wetting surfaces in liquid manipulation. Journal of Molecular Science, 2021, 37(5): 398-407 (in Chinese) doi: 10.13563/j.cnki.jmolsci.2021.05.402 Hu Zhiying, Ge Peng, Zhang Junhu . Applications of anisotropic wetting surfaces in liquid manipulation. Journal of Molecular Science,2021 ,37 (5 ):398 -407 (in Chinese) doi: 10.13563/j.cnki.jmolsci.2021.05.402[5] 曹刚, 黄苏和, 李明升等. 润湿异性表面液滴定向运动研究进展. 实验流体力学, 2021, 35(1): 67-85 (Cao Gang, Huang Suhe, Li Mingsheng, et al. Advances in research on directional movement of droplets on wetted anisotropic surfaces. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(1): 67-85 (in Chinese) doi: 10.11729/syltlx20200086 Cao Gang, Huang Suhe, Li Mingsheng, et al . Advances in research on directional movement of droplets on wetted anisotropic surfaces. Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2021 ,35 (1 ):67 -85 (in Chinese) doi: 10.11729/syltlx20200086[6] Huang GY, Li MX, Yang QZ, et al. Magnetically actuated droplet manipulation and its potential biomedical applications. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(2): 1155-1166
[7] Chi JJ, Shao CM, Shang LR, et al. Microfluidic droplet templates derived porous patch with anisotropic wettability. Chemical Engineering Journal, 2021, 417: 128073 doi: 10.1016/j.cej.2020.128073
[8] Chen DL, Li J, Zhao JY, et al. Bioinspired superhydrophilic-hydrophobic integrated surface with conical pattern-shape for self-driven fog collection. Journal of Colloid and Interface Science, 2018, 530: 274-281 doi: 10.1016/j.jcis.2018.06.081
[9] Hao CL, Li J, Liu Y, et al. Superhydrophobic-like tunable droplet bouncing on slippery liquid interfaces. Nature Communications, 2015, 6: 7986 doi: 10.1038/ncomms8986
[10] Li HZ, Fang W, Li YN, et al. Spontaneous droplets gyrating via asymmetric self-splitting on heterogeneous surfaces. Nature Communications, 2019, 10: 950 doi: 10.1038/s41467-019-08919-2
[11] 张春来, 张丽霞, 王潇等. 沟槽型微纳复合结构表面的制备与减阻性能研究. 材料导报, 2023, 37(12): 239-243 (Zhang Chunlai, Zhang Lixia, Wang Xiao, et al. Preparation and drag reduction performance of grooved micro-nano composite structure surface. Materials Reports, 2023, 37(12): 239-243 (in Chinese) Zhang Chunlai, Zhang Lixia, Wang Xiao, et al . Preparation and drag reduction performance of grooved micro-nano composite structure surface. Materials Reports,2023 ,37 (12 ):239 -243 (in Chinese)[12] 冯家兴, 胡海豹, 卢丙举等. 超疏水沟槽表面通气减阻实验研究. 力学学报, 2020, 52(1): 24-30 (Feng Jiaxing, Hu Haibao, Lu Bingju, et al. Experimental study on drag reduction characteristics of superhydrophobic groove surfaces with ventilation. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2020, 52(1): 24-30 (in Chinese) Feng Jiaxing, Hu Haibao, Lu Bingju, et al . Experimental study on drag reduction characteristics of superhydrophobic groove surfaces with ventilation. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2020 ,52 (1 ):24 -30 (in Chinese)[13] 王宝, 汪家道, 陈大融. 基于微空泡效应的疏水性展向微沟槽表面水下减阻研究. 物理学报, 2014, 63(7): 214-220 (Wang Bao, Wang Jiadao, Chen Darong. Drag reduction on hydrophobic transverse grooved surface by underwater gas formed naturally. Acta Physica Sinica, 2014, 63(7): 214-220 (in Chinese) Wang Bao, Wang Jiadao, Chen Darong . Drag reduction on hydrophobic transverse grooved surface by underwater gas formed naturally. Acta Physica Sinica,2014 ,63 (7 ):214 -220 (in Chinese)[14] 薛銮栾, 李会增, 李安等. 基于各向异性表面的液滴驱动. 化学进展, 2021, 33(1): 78-86 (Xue Luanluan, Li Huizeng, Li An, et al. Droplet self-propulsion based on heterogeneous surfaces. Progress in Chemistry, 2021, 33(1): 78-86 (in Chinese) Xue Luanluan, Li Huizeng, Li An, et al . Droplet self-propulsion based on heterogeneous surfaces. Progress in Chemistry,2021 ,33 (1 ):78 -86 (in Chinese)[15] Ding Y, Jia L, Peng Q, et al. Critical sliding angle of water droplet on parallel hydrophobic grooved surface. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2020, 585: 124083 doi: 10.1016/j.colsurfa.2019.124083
[16] 董琪琪, 胡海豹, 陈立斌等. 矩形疏水沟槽表面水滴振荡特性. 力学学报, 2017, 49(6): 1252-1259 (Dong Qiqi, Hu Haibao, Chen Libin, et al. Characteristics of droplet oscillation on the surface of rectangular hydrophobic grooves. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2017, 49(6): 1252-1259 (in Chinese) doi: 10.6052/0459-1879-17-225 Dong Qiqi, Hu Haibao, Chen Libin, et al . Characteristics of droplet oscillation on the surface of rectangular hydrophobic grooves. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017 ,49 (6 ):1252 -1259 (in Chinese) doi: 10.6052/0459-1879-17-225[17] Sun YM, Li HY, Huang RR, et al. Improved wettability of Al-Si5 on DP980 steel during laser-induced heating by surface texture preparation. Journal of Manufacturing Processes, 2023, 89: 111-123 doi: 10.1016/j.jmapro.2023.01.066
[18] Sureshvarr K, Kannan R, Alphonsa J, et al. Scaling of anisotropic wetting behavior of water drop configuration arising from parallel groove-textured stainless steel surfaces. Journal of Bio- and Tribo-Corrosion, 2023, 9: 1 doi: 10.1007/s40735-022-00725-6
[19] Kumar M, Bhardwaj R, Sahu KC. Motion of a droplet on an anisotropic microgrooved surface. Langmuir, 2019, 35(8): 2957-2965 doi: 10.1021/acs.langmuir.8b03604
[20] 乔小溪, 张向军, 陈平等. 微矩形凹槽表面液滴各向异性浸润行为的研究. 物理学报, 2020, 69(3): 205-211 (Qiao Xiaoxi, Zhang Xiangjun, Chen Ping, et al. Influences of micro-groove size on surface anisotropic wetting behaviors. Acta Physica Sinica, 2020, 69(3): 205-211 (in Chinese) doi: 10.7498/aps.69.20191429 Qiao Xiaoxi, Zhang Xiangjun, Chen Ping, et al . Influences of micro-groove size on surface anisotropic wetting behaviors. Acta Physica Sinica,2020 ,69 (3 ):205 -211 (in Chinese) doi: 10.7498/aps.69.20191429[21] Hao SQ, Xie Z, Yang WX, et al. Wetting-State-Induced turning of water droplet moving direction on the surface. ACS Nano, 2023, 17(3): 2182-2189 doi: 10.1021/acsnano.2c08383
[22] Khan I, Rahman A. Wettability and droplet energetics on micro-scale wavy and V-grooved surfaces. Results in Engineering, 2022, 16: 100791 doi: 10.1016/j.rineng.2022.100791
[23] 赵坤. 基于飞秒激光制备振动驱动液滴运输的沟槽阵列表面的研究. [博士论文]. 合肥: 安徽大学, 2022 (Zhao Kun. Research on droplet transport grooves array surface under vibration condition based on femtosecond laser fabrication. [PhD Thesis]. Hefei: Anhui University, 2022 (in Chinese) Zhao Kun. Research on droplet transport grooves array surface under vibration condition based on femtosecond laser fabrication. [PhD Thesis]. Hefei: Anhui University, 2022 (in Chinese)
[24] Bohn HF, Federle W. Insect aquaplaning: Nepenthes pitcher plants capture prey with the peristome, a fully wettable water-lubricated anisotropic surface. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004, 101(39): 14138-14143
[25] Wong TS, Kang SH, Tang SKY, et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature, 2011, 477(7365): 443-447 doi: 10.1038/nature10447
[26] Yong JL, Huo JL, Yang Q, et al. Femtosecond laser direct writing of porous network microstructures for fabricating super-slippery surfaces with excellent liquid repellence and anti-cell proliferation. Advanced Materials interfaces, 2018, 5(7): 1701479 doi: 10.1002/admi.201701479
[27] Jiao YL, Lyu XD, Zhang YY, et al. Pitcher plant-bioinspired bubble slippery surface fabricated by femtosecond laser for buoyancydriven bubble self-transport and efficient gas capture. Nanoscale, 2019, 11(3): 1370-1378 doi: 10.1039/C8NR09348B
[28] Zhang PF, Chen HW, Zhang LW, et al. Stable slippery liquid-infused anti-wetting surface at high temperatures. Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4(31): 12212-12220 doi: 10.1039/C6TA03857C
[29] Nishioka S, Tenjimbayashi M, Manabe K, et al. Facile design of plant-oil-infused fine surface asperity for transparent blood-repelling endoscope lens. RSC Advances, 2016, 6(53): 47579-47587 doi: 10.1039/C6RA08390K
[30] Manabe K, Kyung KH, Shiratori S. Biocompatible slippery fluid-infused films composed of chitosan and alginate via layer-by-layer self-assembly and their antithrombogenicity. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(8): 4763-4771
[31] Cai ZX, Chen FZ, Tian YL, et al. Programmable droplet transport on multi-bioinspired slippery surface with tridirectionally anisotropic wettability. Chemical Engineering Journal, 2022, 449: 137831 doi: 10.1016/j.cej.2022.137831
[32] Wenzel RN. Resistance of solid surfaces to wetting by water. Industrial and Engineering Chemistry, 1936, 28: 988-994
[33] Sandre O, Gorre-Talini L, Ajdari A, et al. Moving droplets on asymmetrically structured surfaces. Physical Review E, 1999, 60(3): 2964-2972 doi: 10.1103/PhysRevE.60.2964
[34] McHale G, Orme BV, Wells GG, et al. Apparent contact angles on lubricant-impregnated surfaces/SLIPS: From superhydrophobicity to electrowetting. Langmuir, 2019, 35(11): 4197-4204 doi: 10.1021/acs.langmuir.8b04136
[35] Sadullah MS, Launay G, Parle J, et al. Bidirectional motion of droplets on gradient liquid infused surfaces. Communications Physics, 2020, 3(1): 166 doi: 10.1038/s42005-020-00429-8
[36] He L, Sun YY, Sui X, et al. Modeling and measurement on the sliding behavior of microgrooved surfaces. Langmuir, 2019, 35(43): 14133-14140 doi: 10.1021/acs.langmuir.9b02418
-
期刊类型引用(9)
1. Lincong CHEN，Zi YUAN，Jiamin QIAN，J.Q.SUN. Random vibration of hysteretic systems under Poisson white noise excitations. Applied Mathematics and Mechanics(English Edition). 2023(02): 207-220 . 
必应学术
2. 周碧柳，靳艳飞. 高斯色噪声和谐波激励共同作用下耦合SD振子的混沌研究. 力学学报. 2022(07): 2030-2040 . 本站查看
3. 徐严钢，朱海涛，刘治国. 三维路径积分法的积分区间以及子区间数目选取方法研究. 应用力学学报. 2021(04): 1358-1365 . 百度学术
4. 郭秀秀，李长宇，史庆轩. 基于改进Bouc-Wen模型的非线性结构非平稳随机地震响应分析. 振动与冲击. 2020(18): 248-254+268 . 百度学术
5. 张婉洁，牛江川，申永军，杨绍普，王丽. 一类阻尼控制半主动隔振系统的解析研究. 力学学报. 2020(06): 1743-1754 . 本站查看
6. 芮珍梅，陈建兵. 加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维. 力学学报. 2019(03): 922-931 . 本站查看
7. 石晟，杜东升，王曙光，李威威. 概率密度演化方程TVD格式的自适应时间步长技术及其初值条件改进. 力学学报. 2019(04): 1223-1234 . 本站查看
8. 邢子康，申永军，李向红. 接地式三要素型动力吸振器性能分析. 力学学报. 2019(05): 1466-1475 . 本站查看
9. 邹广平，张冰，唱忠良，刘松. 弹簧-金属丝网橡胶组合减振器迟滞力学模型及实验研究. 力学学报. 2018(05): 1125-1134 . 本站查看
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