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重庆大学刘雳宇/陈果团队: 基于润滑剂浸润表面通过近红外光实现多墨滴并行操控

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-26 08:00

正文

▲第一作者：胡亚林

通讯作者：陈果

通讯单位：重庆大学

论文DOI：10.1063/5.0241263 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

本文介绍一种在浸润性润滑剂表面上，通过近红外光驱动实现对墨滴操控的方法。利用近红外光照射墨滴的一端，在墨滴内部产生温度梯度，形成马兰戈尼流，从而推动墨滴向前移动。研究表明，墨滴在滑动过程中会经历两个阶段，其移动能力取决于自身的吸光度和尺寸，具体而言，墨滴的平均加速度和稳定速度均与吸光度呈正相关，与体积呈负相关。这项工作不仅证明了该方法能够实现诸如沿任意路径可控输运等常规的单个墨滴操控，还针对多个墨滴提出了独特的定制化输运与合并策略。本研究为墨滴操控提供了一种简单且通用的方法，相关成果在光驱动液滴的精确操控以及基于液滴的喷墨打印等领域具有潜在的应用价值。

背景介绍

近年来对液滴操控的研究重点包括输运、合并与分裂，其中定向输运尤为关键。多种液滴输运策略从自然生物结构中获取灵感，例如受仙人掌刺的启发而研制的仿生高效集水芯片。这种仿生芯片通过将几何不对称性与表面超亲水性协同结合，能够实现液滴的自发定向输运；模拟蜘蛛丝周期性纺锤节设计的定向集水人造纤维；以及受蝴蝶翅膀上呈定向排列的柔性纳米尖端和重叠微鳞片启发而设计的智能流体控制界面。除此之外，还成功开发出多种用于液滴定向输运的仿生功能表面。液滴通常倾向于向润湿性更高的区域移动，但由于表面润湿梯度力的作用范围有限，很难实现长距离的高效液滴输运。因此，科学家们提出利用外场辅助液滴的定向输运，其中包括但不限于磁驱动、电驱动、光驱动以及光热驱动。研究发现，超润湿磁性微纤毛阵列表面在外部磁场作用下，能够持续且定向地操控水滴，并且不受液滴大小的限制。染料敏化的二氧化钛表面在可见光照射下，能够选择性地改变对接触液体的润湿性，从而实现对液滴运动的外部操控。浸润性润滑剂表面（ LIS ）作为一种新型且出色的表面类型应运而生。具有低表面能和流动性的化学均匀润滑剂，使得 LIS 无缺陷、自发光滑且具有排斥性，能让液滴实现极低的接触角滞后。此外，在 LIS 上输运的液滴大多是常见的纯液滴，如去离子水或乙醇，而对复合液滴，如磁性液滴、光热液滴和墨滴的关注较少。其中墨滴的精确操控在液滴喷墨打印和纺织品印花中具有非常重要的应用价值，但相关研究工作较少，值得进一步探索。

本文亮点

在以往的研究中，基底下方需要加装一层光热层。而在本文中，具有光热特性的墨滴可以直接产生热量，无需额外的光热层。这简化了基底结构，精简了制备过程，且更为环保。与基于表面温度梯度驱动的方法相比，这种通过近红外激光直接驱动液滴的方式能够实现更精确的操控。我们的实验结果表明，不同颜色的墨滴具有不同的吸光度，液滴的移动能力取决于其吸光度和大小。通过移动近红外光的照射位置，墨滴不仅可以直线移动，还能沿着各种弯曲路径移动。此外，通过控制近红外光的照射面积，还能够实现各种大小和颜色墨滴的定制化合并。

图文解析

图 1.(a) 硅基多孔滑动表面（ SPSS ）制备过程的示意图。 (b) 注入润滑剂前基底表面的扫描电子显微镜（ SEM ）图像。表面有许多微孔，不仅使基底变得超疏水，而且为储存润滑剂提供了条件。 (c) 近红外光照射墨滴一端，激发其内部马兰戈尼流，从而驱动墨滴向前移动的示意图。 (d) 实验中使用的四种不同颜色的墨水。 (e) 四种不同颜色墨水的吸光度光谱。 (f) 四种不同颜色墨水在 808 纳米、 1 瓦近红外光照射下的温度随时间变化曲线。可以看出墨水的升温速率与其吸光度呈正相关。

图 2.(a) 相同体积但颜色不同的四种墨滴在近红外光照射下于表面移动的抓拍图像。所有墨滴看起来呈黑色，是因为所使用的高速相机为单色相机。时间为零时，墨滴的颜色是人为添加的，以便于区分。相同时间下，同体积的墨滴的运动快慢与其吸光度呈正相关。 (b) 四个 15 微升墨滴的位移随时间变化图。右下角插图放大了变加速阶段的位移。阴影部分表示数据的误差范围。 (c) 墨滴速度随时间变化图。从 (b) 和 (c) 图能够看出，墨滴在滑动过程中会经历加速运动和匀速运动两个过程。

图 3.(a) 五个不同体积的黑色墨滴在近红外光照射下在表面移动的抓拍图像。相同时间下，相同颜色的墨滴的运动快慢与其体积呈负相关。 (b) 不同颜色墨滴的平均加速度随其体积的变化情况。 (c) 不同颜色墨滴的稳定速度随其体积的变化情况。 (b) 、 (c) 两图与抓拍图像得出的结论相同。 (d) 墨滴表面张力随温度的变化情况。表面张力与温度呈负相关。 (e) 黑色墨滴的前进接触角和后退接触角随体积的变化情况。前进和后退接触角基本相等，所以模型无法使用 Laplace force 。 (f) 用红外热像仪拍摄的一个 15 微升蓝色墨滴的抓拍图像。墨滴两端温差导致了墨滴的滑动。

图 4. 展示了利用可调节的中空近红外光场对多个墨滴的输运与合并过程进行同步调控。由于拍摄条件限制，黑色、蓝黑色和蓝色墨滴的颜色区分度有限。

如图 4 所示。第一步，将近红外光线的光斑扩大至合适大小，以覆盖更多墨滴。这得益于高功率近红外光源，它确保了照射在每个液滴上的光强度足够。接着，使用一个圆形挡板（挡板形状可根据需求调整）遮挡部分光斑，形成一个空心圆形光场，将四个相同大小、不同颜色的墨滴置于空心光场的边界处（见图 4 (i) ）。在光照射的刺激下，墨滴以不同速度向中心移动，其中黑色墨滴移动速度最快，红色墨滴最慢，如图 4 (ii) 所示。在此过程中，不断调节光场的空心半径（可通过控制挡板与光源之间的距离实现），以确保所有液滴都在光控范围内。在图 4 的 (iii - v) 时刻，四种颜色的墨滴依次到达合并中心进行合并，最终四个墨滴合并为一个大液滴，如图 4 (vi) 所示。

总结与展望

综上所述，本文展示了一种在浸润性润滑剂表面（ LIS ）上通过近红外光驱动来精确操控墨滴的方法。研究发现，墨滴运动从变加速到匀速会经历两个阶段，且墨滴的吸光度（颜色）和大小会影响其运动能力，这体现在加速阶段墨滴加速度的差异以及匀速阶段稳态速度的不同。我们的工作进一步揭示，在光激发下，墨滴两端温度梯度引发的墨滴内部马兰戈尼流是其运动的主要驱动力，而非拉普拉斯力。我们不仅证明了该方法能够实现对单个墨滴的常规精确操控，包括沿任意路径的稳定输运，还创新性地提出并验证了一种定制化的多墨滴输运与合并策略。这项研究可能会启发更多关于光驱动液滴精确操控的研究，并在基于液滴的喷墨打印、纺织品印花或其他与液滴操控相关的领域找到潜在应用。

参考文献

Yalin Hu, Jie Wu, Haiyan Luo, Guanqi Su, Xiangxi Meng, Liyu Liu and Guo Chen*, Parallel manipulation of multiple ink droplets via near-infrared light on lubricant infused surface, Applied physics letters 2025 126 (2) 021602.

DOI:10.1063/5.0241263

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