楊建志 何永清 焦鳳? 王進(jìn)

1) (昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,昆明 650500)

2) (重慶工商大學(xué),微納系統(tǒng)與智能傳感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400067)

3) (河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300130)

液體彈珠具有不潤(rùn)濕/不黏附,以及與外界進(jìn)行選擇性物質(zhì)交換等特性,可以作為微量液滴承載體,廣泛運(yùn)用于微流控、化學(xué)/生物微反應(yīng)器等新興領(lǐng)域.碰撞可作為彈珠進(jìn)行物質(zhì)傳遞的一種操控方法,區(qū)別于液滴-液滴或彈珠-彈珠的碰撞,彈珠與液滴的碰撞行為更為豐富與復(fù)雜,對(duì)其的研究可為以彈珠為媒介的物質(zhì)的有效傳遞奠定理論基礎(chǔ).本文利用高速攝像機(jī)拍攝技術(shù),捕捉了液體彈珠與固著液滴碰撞過(guò)程,探究了不同奧內(nèi)佐格數(shù)(Oh)以及壁面親/疏水性(接觸角: θ 為35.4°—124.5°)下彈珠與液滴之間的碰撞過(guò)程.結(jié)果表明: 在親水壁面時(shí),以翻越的形式與液滴結(jié)束碰撞;當(dāng)改用疏水壁面后,以回彈行為取代翻越;當(dāng)壁面疏水性提高接觸角達(dá)到θ=124.5°時(shí),有效碰撞面積增大,碰撞后在界面產(chǎn)生的波動(dòng)使彈珠表面的顆粒遷移,出現(xiàn)裸露區(qū)域,形成液橋后快速完成聚結(jié)-合并(聚并).彈珠與固著液滴碰撞后,會(huì)出現(xiàn)三種運(yùn)動(dòng)行為即翻越、回彈以及聚并.

1 引言

微量液滴的碰撞現(xiàn)象廣泛存在于自然界和工程應(yīng)用中,在涂料噴涂[1]、噴墨打印[2]、界面自清潔[3,4]、生物集水[5]以及微流控操控[6]等領(lǐng)域較為常見(jiàn).而液體彈珠(liquid marble)可以作為轉(zhuǎn)換液滴性質(zhì)的媒介,是一種由粉末顆粒包裹液滴制備而成的具有不潤(rùn)濕/不黏附的核殼式結(jié)構(gòu)的特殊液滴[7],最早由Aussillous 和Quéré[8]發(fā)現(xiàn)并解釋其性質(zhì).液體彈珠可將液滴與固體接觸界面的液-固接觸轉(zhuǎn)換為固-固接觸,增強(qiáng)了液滴在固體壁面上的可操控性,被廣泛用于生物/化學(xué)微反應(yīng)器、生物傳感等領(lǐng)域.由于液體彈珠性質(zhì)的特殊性,它與液滴之間的碰撞是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,對(duì)這一碰撞過(guò)程的研究,可以為液滴間物質(zhì)的運(yùn)輸與傳遞提供一種策略,豐富了對(duì)碰撞動(dòng)力學(xué)的探究.

液滴碰撞的研究,最早可追溯到19 世紀(jì)后期,研究對(duì)象是液滴與平板或與固/液表面的碰撞[9?11].近年來(lái)的研究指出液滴與固體壁面的碰撞,受到了液滴表面張力[12,13]、黏度[14]、接觸界面的疏水特性[15]、碰撞的角度以及碰撞速度[16]等因素的影響.此外,液滴的碰撞過(guò)程還受到溫度、濕度等外部因素的影響.Mukherjee 和Abraham[17]與Jin 等[18]采用多相晶格-玻爾茲曼模型模擬液滴撞擊固體表面的過(guò)程,對(duì)液滴在撞擊過(guò)程中的鋪展、反彈以及平衡態(tài)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)液滴從沉積到回彈狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,可以使用韋伯?dāng)?shù)(We)、雷諾數(shù)(Re)、奧內(nèi)佐格數(shù)(Oh)以及接觸角變化來(lái)衡量.Zhan 等[19]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論探究了水滴撞擊旋轉(zhuǎn)的超疏水鋁盤(pán),當(dāng)碰撞界面運(yùn)動(dòng)時(shí),可以有效地減少液滴與界面的接觸時(shí)間(液滴與碰撞目標(biāo)的第一次表面接觸到完全脫離所用的時(shí)間),可表示為τ0～(ρΩ0/γ)1/2(其中,ρ,Ω0和γ分別表示液滴的密度,體積以及氣-液表面張力).與碰撞靜止的表面相比,當(dāng)表面旋轉(zhuǎn)速度為1.4 m/s 左右時(shí),碰撞接觸時(shí)間可縮短40%以上,從而提供了一種通過(guò)使碰撞界面運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)界面快速拒水的策略.此外,界面結(jié)構(gòu)變化也會(huì)影響碰撞時(shí)的接觸時(shí)間,Han 等[20]設(shè)計(jì)了鰭狀條紋非潤(rùn)濕表面結(jié)構(gòu),縮減了碰撞過(guò)程中液滴的接觸時(shí)間,并指出該方法可用于液滴的定向輸送.Zhang 等[21]采用實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬的方法研究了水滴撞擊超疏水界面,量化了液滴碰撞過(guò)程中沖擊力與韋伯?dāng)?shù)的關(guān)系:≈0.81+1.6We-1,當(dāng) 然,碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,需分階段討論沖擊力與韋伯?dāng)?shù)We的量化關(guān)系,可分區(qū)為: 毛細(xì)管區(qū),奇異噴流區(qū)、慣性區(qū)與飛濺區(qū).Han 等[22]研究了水滴對(duì)超疏水壁面的碰撞過(guò)程,表明碰撞后液滴聚并或是彈跳,將由碰撞時(shí)液滴的韋伯?dāng)?shù)與液滴之間的偏移距離控制,并指出隨韋伯?dāng)?shù)的增加,液滴會(huì)相繼表現(xiàn)出聚結(jié)-彈跳-聚結(jié)的變化狀態(tài),通過(guò)控制液滴碰撞后的狀態(tài),可以有效地減少液滴的堆積,從而實(shí)現(xiàn)自清潔功能.

與液滴間的碰撞不同,液體彈珠的碰撞由于附著顆粒之間的毛細(xì)作用而形成致密的保護(hù)層具有良好的彈性,并不會(huì)像液滴一樣可以輕易聚并,這個(gè)過(guò)程會(huì)受到阻礙.Bormashenko 等[23]研究了涂有石蠟與聚四氟乙烯的彈珠的非凝聚碰撞,表明碰撞時(shí)間與彈珠的速度無(wú)關(guān),主要受到體積的影響,由于彈珠殼層的特殊性,可以采用線性振蕩器模型來(lái)考慮彈珠之間的碰撞.Zang 等[24]研究了不同疏水性SiO2納米顆粒制備的彈珠在碰撞或者擠壓時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為,表明彈珠的力學(xué)承受能力取決于氣-液界面顆粒層之間的毛細(xì)作用力以及疏水顆粒的有效覆蓋面積,當(dāng)碰撞產(chǎn)生的作用力超過(guò)臨界值時(shí),表面顆粒會(huì)脫落或重排,從而實(shí)現(xiàn)彈珠間的合并.Draper 等[25]通過(guò)考慮彈珠的尺寸、涂層、體積、碰撞速度等影響因素,探究了用去離子水制備的彈珠合并的最佳條件,并指出碰撞過(guò)程中聚結(jié)概率較低的原因是由疏水顆粒的存在造成的,且粒徑越小,越容易聚結(jié),這也是與液滴-液滴之間聚結(jié)的區(qū)別所在.而彈珠之間的碰撞類似于“桌球”碰撞,通過(guò)控制拋射彈珠,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)彈珠的移動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方向的操控[26],甚至完成聚結(jié)的操作.而對(duì)彈珠與液滴的碰撞行為的研究目前較少,對(duì)這一過(guò)程的探究,可以為理解并控制彈珠作為微反應(yīng)器與液滴進(jìn)行能量或物質(zhì)交換奠定理論基礎(chǔ).

本文旨在研究不同物性參數(shù)的液體彈珠與固著液滴之間的碰撞行為,從幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)速度以及接觸角變化等方面探究并分析了碰撞體的動(dòng)態(tài)過(guò)程.相較于純液滴或固體與固著液滴的碰撞,液體彈珠的碰撞行為更加復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)中使用高速攝像機(jī)記錄了彈珠與液滴碰撞的整個(gè)過(guò)程.結(jié)果表明:界面親水/疏水性的變換,改變了液滴在界面上的固著狀態(tài),直接影響了彈珠與固著液滴的有效接觸面積,以及彈珠體積的改變影響了碰撞瞬間攜帶的動(dòng)能的大小,描述了彈珠與液滴因碰撞而產(chǎn)生翻越、回彈以及聚并的現(xiàn)象的原因,并進(jìn)行了對(duì)應(yīng)現(xiàn)象的力學(xué)分析.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

如圖1 所示,本實(shí)驗(yàn)研究的裝置由可升降的水平面和可調(diào)節(jié)角度的斜面組成,隨斜面角度的改變可以賦予液體彈珠不同的初始動(dòng)能,使其以不同的速度碰撞固著液滴(超純水).采用高速攝像機(jī)(Phantom Miro 320 S,拍攝最高達(dá)1000 f/s)捕捉物體的運(yùn)動(dòng),記錄彈珠與固著液滴碰撞瞬間的形態(tài)變化,然后通過(guò)圖像處理軟件ImageJ,得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù).接觸角的大小由ImageJ 軟件中的Contact Angle 插件測(cè)量得到,并與接觸角標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行比較得到測(cè)量誤差約為±2.5°.其中,不同體積的液滴使用規(guī)格為2—20 μL 和10—100 μL的Eppendorf 移液器進(jìn)行采樣.實(shí)驗(yàn)中使用的液滴彈珠,通過(guò)使用移液器提取對(duì)應(yīng)體積的超純水(與固著液滴相同),滴落在裝有聚四氟乙烯(顆粒粒徑為: 25 μm)的培養(yǎng)皿中的粉末床上滾動(dòng)約30 s后制備而成(粉末顆粒與液滴占比:mPTFE/mw∈[0.89%,1.27%] ,其中液滴質(zhì)量以及彈珠質(zhì)量采用日本島津ATX 124 電子秤多次測(cè)量得出,精度:±0.1 mg),然后用藥匙轉(zhuǎn)移到斜面上的指定釋放位置.在實(shí)驗(yàn)中,還對(duì)比了不同親/疏水界面(普通玻璃載玻片,貼敷特氟龍膠帶以及多次使用乙醇-SiO2噴霧烘干覆膜的高疏水界面,靜態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1)上的碰撞行為,界面的親/疏水情況通過(guò)測(cè)量液滴的接觸角的大小進(jìn)行度量.

表1 基底材料及對(duì)應(yīng)的靜態(tài)接觸角θTable 1.Substrate materials and corresponding static contact angles θ.

圖1 實(shí)驗(yàn)總體裝置示意圖Fig.1.Schematic of the overall experimental setup.

3 結(jié)果與分析

如圖2(a)所示,界面疏水性質(zhì)的改變,不僅影響到了液滴在界面上的固著狀態(tài),在碰撞時(shí)因?yàn)閺椫榕c液滴之間存在狹窄間隙,基于潤(rùn)滑理論的擠壓流動(dòng),在氣-液間隙受到擠壓時(shí)會(huì)快速形成空氣夾層[27,28](如圖2—圖4 中紅色虛線圓圈所示),阻礙彈珠與液滴之間的充分接觸,增大了回彈運(yùn)動(dòng)的概率.在圖2(b)可以看出,碰撞產(chǎn)生的波動(dòng)改變了彈珠界面上疏水顆粒的嵌入程度,這將影響到顆粒能否脫離顆粒間的相互作用以及液體表面毛細(xì)作用的束縛.在碰撞瞬間,因彈珠界面受到擠壓而形變,表面附著的顆粒均有朝彈珠兩極(指的是彈珠俯視示意圖的上下兩端)移動(dòng)的趨勢(shì),但由于彈珠具有良好的彈性與機(jī)械穩(wěn)定性[29],倘若界面附著的顆粒層未被破壞,在擠壓結(jié)束后顆粒層將在毛細(xì)力與分子間作用力的驅(qū)使下繼續(xù)包覆彈珠.當(dāng)碰撞較為劇烈時(shí),破壞了表面的顆粒覆蓋層,出現(xiàn)局部裸露區(qū)域,如圖2(c)所示,彈珠裸露區(qū)域與液滴的接觸后形成的液橋由點(diǎn)到面逐漸擴(kuò)散,直至完成聚并.在這個(gè)過(guò)程中,由于碰撞產(chǎn)生的波動(dòng)分別從碰撞點(diǎn)由液滴內(nèi)部向未碰撞端傳遞以及沿彈珠表面邊緣向彈珠兩極傳遞,界面的波動(dòng)改變了表面顆粒的嵌入程度,碰撞波推動(dòng)著顆粒逐漸朝彈珠兩極移動(dòng).因波動(dòng)改變了顆粒嵌入的程度,無(wú)法停留在彈珠表面的顆粒將沿著液橋遷移到固著液滴上.在實(shí)驗(yàn)中,碰撞后彈珠的三種狀態(tài)為: 翻越,回彈和聚并,本文用奧內(nèi)佐格數(shù)μ為液滴的黏度)將韋伯?dāng)?shù)(We)與雷諾數(shù)(Re)銜接作為衡量碰撞的無(wú)量綱參數(shù),描述了碰撞過(guò)程中黏性力、表面張力以及慣性力的影響.此外,碰撞的結(jié)果還受到界面疏水性、碰撞體物性參數(shù)的影響.下文將對(duì)這三種碰撞的狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)闡述.

圖2 彈珠與液滴接觸界面變化 (a) 界面親/疏水性影響形成的空氣夾層的大小;(b) 彈珠界面波動(dòng)對(duì)顆粒嵌入程度的影響;(c) 彈珠與液滴碰撞接觸后波的形成以及界面顆粒的遷移Fig.2.Schematic representation of interfacial changes in the contact between marbles and liquid droplets: (a) Effect of interfacial hydrophilicity/hydrophobicity on the size of the formed air interlayer;(b) effect of the fluctuation of the marble interface on the degree of particle embedding;(c) formation of waves after collisional contact between the marble and the droplet and the migration of interfacial particles.

3.1 液體彈珠翻越固著液滴

在玻璃界面上的碰撞可觀察到,固著液滴的靜態(tài)接觸角θ≤61.3°,如圖2(c)所示,0 ms 時(shí)刻,固著液滴與彈珠碰撞的接觸面積較小,并且彈珠的外輪廓與液滴界面鍥合度較高,幾乎無(wú)法形成空氣夾層來(lái)阻礙彈珠前行,受到彈珠的擠壓后液滴整體朝未接觸側(cè)流動(dòng),形成一個(gè)有利于彈珠爬升的坡度,這為彈珠順利翻越固著液滴提供了有利條件.在碰撞的過(guò)程中,彈珠運(yùn)動(dòng)的韋伯?dāng)?shù)較小(We ∈0.16—4.13),但彈珠具備的動(dòng)能足以克服重力效應(yīng)以及液滴的阻礙向前運(yùn)動(dòng),直至完成耗時(shí)67 ms 的翻越過(guò)程,該過(guò)程可分為開(kāi)始碰撞、爬升、登頂、下坡與結(jié)束碰撞五個(gè)階段.對(duì)于彈珠而言,未碰撞前韋伯?dāng)?shù)We ＞1 ,雷諾數(shù)Re ∈170—880 ,表明在整個(gè)過(guò)程中慣性力主導(dǎo)了彈珠的運(yùn)動(dòng).如圖3(a)Oh ?1 ,說(shuō)明在碰撞的過(guò)程中,相比較于黏性力,表面張力以及慣性力對(duì)碰撞后的狀態(tài)影響更大.在圖3(b)中與初始時(shí)刻彈珠的側(cè)面積(A0)相比,運(yùn)動(dòng)時(shí)刻的側(cè)面積(Ai)始終處于變化中,說(shuō)明彈珠在翻越的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的,原因由拉普拉斯方程(ΔP=2γ/R,γ為液體的表面張力;R為球形液滴半徑)可知,隨彈珠體積的增加,受到的拉普拉斯壓力減小,維持彈珠不形變的束縛力變小,使得彈珠碰撞后形態(tài)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的振蕩式變化,并且這種不穩(wěn)定性隨著體積的增加而愈發(fā)顯著.也可以從能量的角度來(lái)分析這種運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性:ΔE ≈γσ2-ρgR3,在碰撞的過(guò)程中,由于碰撞產(chǎn)生的波動(dòng)影響彈珠表面顆粒的排布情況,使得彈珠在運(yùn)動(dòng)中的每一個(gè)時(shí)刻的有效表面張力都在變化,彈珠狀態(tài)的不穩(wěn)定性隨之增加.在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,彈珠還經(jīng)歷了短暫固-液基底轉(zhuǎn)換的過(guò)程,在液面基底上摩擦系數(shù)變小[30],對(duì)應(yīng)的摩擦造成的能量耗散相對(duì)較小[31,32],當(dāng)然這個(gè)過(guò)程極其短暫,對(duì)動(dòng)能的耗散影響甚微,動(dòng)能更多地是轉(zhuǎn)化為液滴的表面能以及液滴的形態(tài)振蕩的搖擺中.對(duì)于彈珠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的摩擦力,如圖3(c)所示,由于彈珠在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中接觸面積時(shí)刻變化,摩擦力的計(jì)算不再適用于Amontons 摩擦定律,通常由接觸角的變化間接計(jì)算[33]:Ff=γD(cosθr-cosθa),D為彈珠底部接觸區(qū)域長(zhǎng)度.當(dāng)然,在翻越的過(guò)程中,從液滴接觸開(kāi)始到結(jié)束,彈珠主要受到重力(Fg),界面摩擦力(Ff)以及支撐力(FN)的作用,此外因?yàn)榻佑|的過(guò)程中彈珠與液滴均在變形,受到了表面張力以及黏附力等多個(gè)力的綜合作用.

圖3 彈珠在翻越液滴的過(guò)程中的形態(tài)變化(以30 μL 為例) (a) 玻璃基底上彈珠運(yùn)動(dòng)過(guò)程O(píng)h 分布;(b) 側(cè)面投影面積變化;(c) 彈珠運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)拍攝圖像Fig.3.Morphological changes of marbles during overturning droplets (30 μL for example): (a) Oh distribution during marble motion on glass substrate;(b) change of lateral projection area;(c) real-time image taken during marble motion.

3.2 液體彈珠與固著液滴碰撞回彈

彈珠與液滴碰撞的第二種狀態(tài)是回彈,當(dāng)基底換為特氟龍膠帶時(shí),如圖4(a)所示,固著液滴的最大高度增加了0.53 mm,增加了彈珠與液滴正面碰撞時(shí)的有效接觸面積,界面由親水變?yōu)槭杷?但固著液滴仍未脫離釘扎[34]的束縛,在碰撞后,液滴受到來(lái)自彈珠的擠壓,整體沿三相接觸線向中間隆起,強(qiáng)化了對(duì)彈珠的阻擋,使得彈珠愈發(fā)難以逾越液滴.在表面張力的作用下,被壓縮的液滴朝著初始狀態(tài)復(fù)原而將彈珠反彈,以及在相互作用力下增強(qiáng)了回彈效果,使得彈珠無(wú)法翻越液滴,而以回彈的方式結(jié)束碰撞.當(dāng)然,如圖4(c)所示,即使界面為乙醇-SiO2噴霧改性的高疏水界面,當(dāng)彈珠與液滴的體積(彈珠∶液滴≈3∶4)相近時(shí),碰撞后彈珠同樣以回彈的形式結(jié)束碰撞,但此時(shí)彈珠與液滴均產(chǎn)生位移,并伴隨著形狀的振蕩而將碰撞產(chǎn)生的能量消耗.從圖4(c)中可知,Oh ?1 ,表明黏性力對(duì)碰撞的影響非常小,并且由于液滴脫釘扎,三相接觸線不再受到釘扎力的束縛,被彈珠碰撞后發(fā)生與“桌球”類似的非彈性碰撞,有著較大的能量損失.并根據(jù)動(dòng)量守恒:計(jì)算出該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化率η≈ 33.86%,有接近70%的能量伴隨著彈珠與液滴的彈跳與形狀的振蕩而消散.如圖4(b)所示,碰撞后彈珠的面積變化(Ai/A0)呈現(xiàn)為自由衰減的過(guò)程.

圖4 彈珠與液滴碰撞的兩種回彈情況 (a) 固著液滴在疏水界面上的回彈碰撞(體積比: 彈珠/液滴為0.164);(b),(c) 固著液滴在高疏水界面上的回彈碰撞(體積比: 彈珠/液滴為0.75),以及液滴與彈珠在高疏水界面碰撞過(guò)程中的變形情況及Oh 變化曲線Fig.4.Two rebound cases of marble-droplet collisions: (a) Rebound collision of a sessile droplet at the hydrophobic interface(Volume ratio: 0.164 for marble/droplet);(b),(c) rebound collision of a sessile droplet at the highly hydrophobic interface (Volume ratio: 0.75 for marble/droplet),as well as deformation of a droplet and marble during the collision with a droplet at a highly hydrophobic interface,and the Oh curve.

3.3 液體彈珠與固著液滴碰撞后聚并

彈珠與液滴碰撞的第三種狀態(tài)是聚并,實(shí)驗(yàn)中當(dāng)液滴固著在乙醇-SiO2噴霧改性的高疏水界面上時(shí),液滴與界面未潤(rùn)濕也未被釘扎,以類橢球型靜置于界面.實(shí)驗(yàn)采用彈珠與液滴體積比為1∶4 進(jìn)行碰撞,彈珠與液滴碰撞的瞬時(shí)速度為0.27 m/s,與體積比為3∶4 的碰撞相比,彈珠的碰撞狀態(tài)由回彈轉(zhuǎn)化為聚并.如圖5(a) 所示,彈珠與液滴在22.5 ms內(nèi)快速融合成一個(gè)整體,當(dāng)彈珠與液滴接觸時(shí),由于表面疏水性顆粒的阻隔,彈珠內(nèi)部液體與液滴并未直接接觸,相互接近時(shí)分子間作用力無(wú)法驅(qū)使疏水顆粒轉(zhuǎn)移到液滴界面上,只有對(duì)彈珠施加的壓力或者與碰撞速度達(dá)到臨界,如圖2(b)和圖2(c)所示,因碰撞波動(dòng)使得顆粒嵌入的液體界面的程度發(fā)生改變,并沿碰撞點(diǎn)快速演變?yōu)榕鲎裁?迫使顆粒向彈珠的兩極擴(kuò)散,碰撞產(chǎn)生的波動(dòng)削弱了顆粒間相互作用力以及顆粒與液體間的毛細(xì)作用力,使得彈珠液面附著的部分顆粒脫離轉(zhuǎn)移到固著液滴上,彈珠表面的顆粒遷移重排,顆粒無(wú)法完全包裹彈珠表面,導(dǎo)致彈珠與液滴接觸的區(qū)域出現(xiàn)裸露區(qū)域,在表面張力以及分子內(nèi)部吸引力的作用下快速形成液橋,迫使彈珠與液滴的接觸在短時(shí)間內(nèi)由固-液轉(zhuǎn)變?yōu)橐?液接觸,完成初步聚并.當(dāng)然,在聚并發(fā)生后,形成的新液滴與彈珠相比由于體積增大數(shù)倍,如圖5(d)所示,表面顆粒無(wú)法將液滴表面完全覆蓋,由于液滴處于一個(gè)波動(dòng)的不穩(wěn)定狀態(tài),表面波動(dòng)使得液滴界面產(chǎn)生不同曲率,使得表面顆粒受到不均勻的毛細(xì)力,顆粒處于隨液滴波動(dòng)而移動(dòng),直至液滴穩(wěn)定,表面顆粒在重力以及毛細(xì)力的作用下從分散狀態(tài)逐漸聚攏,后沉積環(huán)繞在液滴的下半部分,液滴頂部則呈現(xiàn)出裸露狀態(tài),至此完成聚并.

圖5 (a) 同體積彈珠在不同疏水性界面上碰撞液滴形態(tài)變化圖;(b) 碰撞過(guò)程中液滴與彈珠側(cè)面積變化;(c) 碰撞過(guò)程中液滴與彈珠Oh 變化;(d) 聚并發(fā)生后表面顆粒的移動(dòng)情況Fig.5.(a) Variation of droplet morphology of the same volume of marbles colliding at different hydrophobic interfaces;(b) variation of droplet and marble side area during the collision;(c) variation of droplet and marble Oh during the collision;(d) movement of surface particles after droplet coalescence occurs.

在彈珠與液滴碰撞的初始時(shí)期,在接觸位置處存在兩個(gè)方向相反的碰撞波,碰撞產(chǎn)生的波在彈珠與液滴的表面以及內(nèi)部均有傳播,受到液滴表面張力的作用,使得液滴處于一個(gè)往復(fù)式搖擺振蕩階段.如圖5(b)和圖5(c)所示,當(dāng)彈珠與液滴完全合并后,在280 ms 后,合并后的液滴面積變化近似為自由衰減振蕩,該振蕩耗散過(guò)程基本符合S=0.085+2.584 sin[(t-tc)π/0.027] .之后,融合的液滴形狀的搖擺振蕩逐漸衰減,直至碰撞的動(dòng)能隨液滴的搖擺而消耗殆盡,且在碰撞的整個(gè)過(guò)程中依舊是慣性力啟主導(dǎo)作用.而在玻璃基底上,由于玻璃基底上潤(rùn)濕性較好,液滴在界面上鋪展開(kāi),接觸角(35.4°≤θ≤61.3°)和碰撞時(shí)的沖擊面積相對(duì)較小,無(wú)法讓彈珠表面的疏水顆粒遷移,由于液滴的接觸角較小,剩余的動(dòng)能足以驅(qū)動(dòng)彈珠克服重力以及表面沖擊波的影響順利翻越液滴,實(shí)現(xiàn)對(duì)“障礙物”的跨越.如圖5(a)所示,在碰撞之后,由于液滴在界面上的黏附作用以及釘扎效應(yīng),液滴無(wú)法掙脫界面的束縛,碰撞后液滴通過(guò)如圖6 所示的自由搖擺振蕩來(lái)不斷消耗碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的能量,雖然不同情況下碰撞剩余的動(dòng)能不盡相同,但始終以一個(gè)自由衰減振蕩的形式將其消耗,直至液滴穩(wěn)定,恢復(fù)到初始狀態(tài).

圖6 彈珠完成翻越后液滴以搖擺振蕩的方式消耗能量Fig.6.Droplet consumes energy by swinging and oscillating after the marble completes its overturning.

4 結(jié)論

本文探究了界面親/疏水性以及液體彈珠體積對(duì)碰撞固著液滴的影響以及動(dòng)力學(xué)分析.結(jié)果表明: 界面的親/疏水性決定了液滴的固著狀態(tài)以及液滴是否釘扎,疏水性越強(qiáng),液滴脫釘扎效果越顯著,阻礙彈珠前進(jìn)的空氣夾層以及碰撞有效接觸面積越大;而彈珠體積大小與彈珠與液滴碰撞瞬間攜帶的動(dòng)能密切相關(guān),這決定了彈珠是以翻越、回彈還是聚并結(jié)束碰撞.由于彈珠與液滴均具有流變性,在碰撞瞬間均有著較大形變,通過(guò)計(jì)算在整個(gè)碰撞過(guò)程中的奧內(nèi)佐格數(shù)Oh ?1 ,表明受重力引導(dǎo)的碰撞過(guò)程由表面張力以及慣性力主導(dǎo).與微量液體或固體之間的碰撞不同,彈珠與液滴之間的碰撞具有遠(yuǎn)程可控以及物質(zhì)傳遞等功能,可按需調(diào)控彈珠碰撞后的狀態(tài).以碰撞的方式為液體彈珠在微反應(yīng)器等領(lǐng)域的運(yùn)用提供一種操控策略.