電潤(rùn)濕（electrowetting）現(xiàn)象于1875年由法國(guó)物理學(xué)家Lippmann提出，作為現(xiàn)有最成熟的液滴電操控方法，已成功應(yīng)用于數(shù)字微流控、傳熱強(qiáng)化、淡水收集等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有電潤(rùn)濕技術(shù)受限于液滴驅(qū)動(dòng)速度慢、電極圖案復(fù)雜、粘性試劑易污染等問(wèn)題。

大連理工大學(xué)姜東岳團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)王鉆開(kāi)教授，在超疏水表面電潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了軌道電潤(rùn)濕（Orbital-electrowetting，OEW）現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)電潤(rùn)濕的跨電極運(yùn)動(dòng)不同，其運(yùn)動(dòng)模式為沿著電極間隙運(yùn)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析揭示了這一新現(xiàn)象背后的物理機(jī)制，并提出了基于軌道電潤(rùn)濕的高運(yùn)動(dòng)速度、電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染的液滴操控新方法。相較于傳統(tǒng)電潤(rùn)濕液滴操控（CEW），速度得到5倍提高（CEW：~40 mm/s，OEW：~210 mm/s）。此外，OEW液滴操控展現(xiàn)出多功能、高轉(zhuǎn)向性、耐高鹽、表面無(wú)殘留、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。“軌道”的引入大大降低了電路的復(fù)雜性和控制難度，為數(shù)字微流控平臺(tái)騰出了更多空間，因此在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出極大的潛力。該研究以“Orbital Electrowetting-on-Dielectric for Droplet Manipulation on Superhydrophobic Surfaces”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

圖1（a）為OEW的結(jié)構(gòu)示意圖，包含基底、氧化銦錫透明電極、SU-8介電層以及超疏水涂層。如圖1（b）所示，當(dāng)施加低頻交流電壓（<70 Hz，10 μL液滴）時(shí)，液滴處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)發(fā)生跨電極運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)施加高頻交流電壓（>70 Hz，10 μL液滴）時(shí)，液滴會(huì)沿“軌道”高速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于傳統(tǒng)電潤(rùn)濕液滴驅(qū)動(dòng)，需要按次序給電極陣列通電，才能實(shí)現(xiàn)液滴的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，這需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和大量的開(kāi)關(guān)控制。而OEW大量簡(jiǎn)化了控制電路和電極數(shù)量，這為基于電潤(rùn)濕的數(shù)字微流控技術(shù)開(kāi)辟了新的思路。

圖1 OEW的結(jié)構(gòu)和液滴輸運(yùn)

該項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了超疏水表面的可逆電潤(rùn)濕，即斷開(kāi)電壓后，液滴的接觸角能恢復(fù)到施加電壓前的大小。表面的低粘附是實(shí)現(xiàn)電潤(rùn)濕液滴驅(qū)動(dòng)的前提，否則會(huì)因?yàn)椤搬斣?yīng)”的發(fā)生而導(dǎo)致失敗。如圖2所示，這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了液滴爬升，且即使10%質(zhì)量濃度的鹽水，其驅(qū)動(dòng)速度也能維持在~210 mm/s以上。此外，在對(duì)表面進(jìn)行5000次液滴撞擊，72小時(shí)的水下浸泡后，表面仍然能夠有很好的超疏水性能（水接觸角>154°），在進(jìn)行連續(xù)超過(guò)1000次液滴輸運(yùn)后，仍然能保持良好的性能，穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 OEW液滴操控和表征

文中進(jìn)一步討論了實(shí)現(xiàn)OEW液滴操控的條件，繪制了如圖3所示的相圖。對(duì)于一個(gè)確定的表面，通過(guò)改變電極的梯度，調(diào)節(jié)電潤(rùn)濕數(shù)的大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴速度的調(diào)控。

圖3 OEW液滴操控和性能控制

最后，文中演示了基于OEW的各項(xiàng)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)軌道的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)液滴的連續(xù)拐彎（10個(gè)連續(xù)90°彎道），如視頻1所示。此外，液滴的混合、輸運(yùn)、停止后再啟動(dòng)均能很好的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，也能在表面上進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)。

綜上所述，研究人員提出了一種新的基于電潤(rùn)濕的液滴操控方案，僅需要一對(duì)電極，就能實(shí)現(xiàn)液滴的高速遠(yuǎn)距離輸運(yùn)；這突破了傳統(tǒng)電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)需要大量電極和控制電路的技術(shù)瓶頸。該技術(shù)有望為新一代的數(shù)字微流控平臺(tái)搭建提供新的思路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202314346

審核編輯：劉清