聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面液滴动力学的实验研究

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">液滴是自然界中普遍存在的一种物质形态。非连续微流体（液滴）是近年来微流体技术重要发展方向之一。对液滴的产生、启动、移动、合并、分离和碰撞过程的研究对于航天、微纳系统、电子显示、计算机冷却、喷墨、生物医学等学科领域有着重要的应用价值。液滴属于软物质，其力学性质介于流体和固体之间，其类固体（solid-like）行为来自于曲率产生的Laplace压力和表面张力的约束。对液滴动力学行为的研究有着重要的学术价值。 本文的主要工作是针对生物微电子机械系统（Bio-MEMS）以及柔性微纳电子加工中常用的材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）为基底的液滴动力学实验研究。 液滴是一个理想的微反应器，许多实验可以集成在一个液滴或多个液滴内完成。液滴本身的动力学特性对于实验的完成效率和质量有着重要的影响。液滴的微操控技术包括多相流法、电润湿法、热毛细管法、介电泳法等。液滴的动力学特性受到基底的影响非常大，包括基频、振动模态、运动过程等均随基底的润湿性、弹性模量的变化而有所变化。 在Bio-MEMS以及柔性微纳电子加工当中，PDMS扮演着越来越重要的角色，尤其是PDMS的润湿性和电润湿特性。目前的PDMS在Bio-MEMS当中主要是用于制备各种微流道。常见的问题主要是一方面PDMS是疏水材料，影响流体的输运。另一方面是液体在这种低Reynolds数情况下不易混合，反应效率低。本文提出了在PDMS表面溅射纳米厚度的金来减小PDMS表观接触角的方法。这种方式在特定喷金量的情况下可以在PDMS表面产生多层次的压应力波纹。这种压应力波纹对于柔性微纳电子加工，以及微流道中加速流体混合有着非常重要的作用。 电润湿是另一种可以使PDMS亲水化的方法。实验证明，PDMS具有较好的电润湿性质。此外电润湿也是目前操纵液滴的主要方式。目前一个常见的问题是电击穿现象阻碍了驱动电压的低压化，且低Reynolds数情况下液滴的混合效率偏低。此外电极还会由于少量电解的发生导致腐蚀及对液体样品的污染。本文提出了接触式的电润湿，在电极逐渐触碰液滴的过程中，液滴发生百Hz的失稳振动，稳定后接触角减小。这种电润湿模式可以有效的提高临界击穿电压，避免液滴被腐蚀后的电极污染，同时可以加快液滴的混合效率。其失稳特征时间在10 ms量级，这恰是所用液滴特征尺度在1 mm左右的电润湿器件的最快响应时间。并采用液滴振动的理论估算了液滴的失稳时间，同时还考虑了基底润湿性对液滴振动过程的影响。 液滴的启动是电润湿操控液滴过程中的重要环节。通常的液滴启动都是在非连续基底上依靠逻辑电路产生的电势变化来驱动液滴。无论是逻辑电路的设计还是驱动装置的加工都非常复杂。本文首次实现了在超疏水生物样品荷叶上的液滴启动，启动速度为数十毫米/秒，启动时间为10 ms量级。并利用PDMS成功的仿制了荷叶结构实现了超疏水的PDMS表面，荷叶同仿荷叶的PDMS超疏水表面具有相近的润湿性。 在数字微流体操控液滴的过程中，液滴的合并涉及液滴的碰撞，而且MEMS系统当中利用液滴撞击进行冷却的实验已经有所开展。同时理解液滴碰撞还对许多领域包括生物、化学、喷墨、大气物理等有着非常重要的作用。本文实验研究了Weber数和毛细数对液滴碰撞过程的影响，通过改变Weber数和毛细数得到了四种不同的响应模式。</span>