微流体的表面张力驱动_刘长松

第29卷第4期V ol .29N o .42008

青岛理工大学学报

Journal of Qingdao Technological University

微流体的表面张力驱动

刘长松

(青岛理工大学机械工程学院,青岛266033)

摘　要:随着微机电系统向超微细结构的发展,基于微尺度下流体特性而设计的表面张力驱动液滴移动技术越来越引人注目.笔者综述了两大类表面张力驱动技术:一是构建化学组成梯度;二是构建表面微观粗糙度梯度.在光诱导下,ZnO 微纳米结构表面的润湿性发生从超疏水到超亲水的改变,其本质是在粗糙表面上发生了化学组成变化,这使Z nO 成为可以产生表面张力驱动的重要界面材料之一.关键词:微流体;表面张力;微机电系统;ZnO ;润湿性

中图分类号:O 35;T H703 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2008)04—0009—04

收稿日期:2008—03—06基金项目:国家自然科学基金项目(50702029);山东省教育厅重大科技项目(J05D08)编辑部约稿作者简介:刘长松(1973-　),男,山东青岛人.副教授,主要从事微纳米制造、纳米材料与技术研究.E -mail :csl @qtech .edu .cn .

Driving Microfluids by Surface Tension

LIU Chang -song

(Scho ol o f M echanical Eng inee ring ,Q ingdao Technological U nive rsity ,Q ingdao 266033,China )

Abstract :With the development o f micro -electro -mechanical system s ,the technolo gies of driving and controlling microfluids ,e specially based on the specialities of flowing in struc -tures on micro or even nano scales ,are receiving mo re and m ore attentio ns .In this paper ,tw o technologies of driving microfluids due to surface tensio n gradient are review ed .Gener -ally speaking ,both chemical co mposition g radient and surface ro ug hness g radient can result in surface tension g radient .ZnO film s w ith micro /nano hierachical structures have the prop -e rties of lig ht -induced w ettability transition from superhy dro phobicity to superhy dro philici -ty .The transitio n essentially re sults from a co nversion o f chemical com positio n on a rough surface .Thus ZnO is one of the im po rtant surface mate rials w hich can induce surface tensio n driving .

Key words :microfluid ;surface tensio n ;micro -electro -mechanical system s (MEM S );ZnO ;w ettability

微流体的驱动与控制是微机电系统(M EM S )发展需要解决的关键技术之一,它在集成电路的冷却、流体的微量配给、药物的微量注射、微型传感器、微推进器的燃料输送等涉及微流体输运的各种场合中具有广泛应用前景[1-2].

随着微细机械器械的尺寸越来越小,乃至出现了纳米量级的微细机械系统,传统的外力驱动方式(如现代机械运动中常见的电力、风力、水力、人力等)受到了巨大的挑战.微流体系统中的驱动方式可以分为

青岛理工大学学报第29卷

两大类[3]

,一类是从宏观流体驱动移植过来的驱动方式,如机械压差驱动、离心力驱动、电水力驱动等;二是根据微尺度下流体特性设计的驱动方式,如表面张力驱动、热气泡驱动、电渗式驱动和磁流体驱动等.由于表面效应在微流动中具有举足轻重的作用,因此表面张力驱动技术具有诱人的应用潜力[4].

1　微流体的流体力学问题

着眼于微观与宏观的不同,微流体主要具有以下两个效应[3].

(1)尺度效应.随着流动的特征尺度减小到微米乃至纳米量级,微流体的流动会发生一些不同于宏观流动的现象,主要表现在两个方面:一方面,微流动中会出现一些经典连续介质模型,而在目前无法解释的现象,例如微流动表观黏度与体积黏度不一致;另一方面,支配流动的各种作用力的地位发生了变化,原来在宏观流动中居次要地位而通常被忽略的作用力,可能会在微流体流动中起支配作用,这意味着传统的宏观流体驱动技术在微流体中可能并不适用.

(2)表面效应.尺度减小时,微流体器件的表面积与体积比大大增加,微流体器件的表面积与体积比约为常规机械的上百万倍,这大大影响了质量、动量和能量在微流体器件表面的传输,表面效应将会在微小器件中起主要作用.例如,由于表面积与体积比大,微管道流体的辐射和对流传热速率大大提高,液体相对固体表面的润湿性会严重影响微流体的流动,这使得表面张力成为驱动微流体流动的一种机制;分子间作用力(如范德华力)的作用,使得微构件中摩擦力与流体的质量无关,而正比于器件的表面积;流动边壁附近电偶层与壁面吸附层的作用,随着器件尺度的减小而对微流体流动的影响越来越大.

总的来说,微流体中的流体力学问题是很复杂的,涉及到的方面很多[5].如表面效应的研究,是一个涉及到流体力学、界面化学、界面物理、材料学等多学科交叉的研究领域,对于解释微流体流动现象,对于微流体驱动和控制技术的研究与发展,都是迫切需要的.

图1　表面张力驱动微液滴的原理示意图

2　表面张力驱动

表面张力的变化可以驱动流体流动这一现象虽然很早就被人所认识,但利用它主动进行微流体控制与驱动研究是从20世纪90年代开始的.从原理上讲,如果能够在固-液表面产生某种特定

的表面张力梯度,就可驱使液体在特定的方向上流动.图1是表面张力驱动液滴原理示意图.通过化学或物理的方法改变固体支持面的润湿性,使液滴两侧的基底形成亲水区(高表面能)和疏水区(低表面能),由于液滴边沿两侧的表面张力不平衡(接触角不同),两边压力差即可驱动液滴从疏水区向亲水区移动.液滴产生表面张力驱动的宏观表现为固-液之间的界面润湿性梯度.一般说来,影响固体表面润湿性的因素主要有2个:一是表面的化学组成,二是表面粗糙度.因此,按照引起表面张力梯度变化的本质,可以将润湿性梯度分为化学组成梯度和微观粗糙度梯度两种.

化学组成梯度表面是实现表面张力梯度最早的技术方法.1992年,W hitesides 研究小组在《Science 》

上首次报道了利用扩散控制气相沉积的方法[6]

,他们用硅烷化试剂(Cl 3Si (CH 2)9CH 3)在平滑Si 基底上修饰密度呈现梯度变化的疏水烷基单层膜,使该表面呈现出润湿性梯度变化(在1cm 长度上,接触角从

97°变化到25°).并把Si 片倾斜15°,使疏水端在下方(亲水端在上方),则放置在下端的水滴(1～2μL )会以1～2m m /s 的速度进行“爬山”运动.

Ichim ura 等[7]利用一种含有偶氮基团的光敏化合物(CRA —CM )的光控润湿性行为,将CRA —CM 作为微流体流动的支持面,实现了利用表面张力来驱动微液滴移动.由于暴露在紫外光(波长=365nm )中的CRA —CM 单层的末端为极性顺式异构的偶氮苯基团,使得表面能增加;蓝光(436nm )照射又会使这种顺式异构转变为反式异构,使表面能减小.因此,利用这种致异构特性可以驱动液体在表面非机械移动.图2表示了橄榄油滴在这种响应性表面的运动情况.利用强度不均匀的蓝光垂直于CRA —CM 表面照射,会使液滴向高表面能方向(即蓝光强度弱的方向)运动(见图2(b )),利用均匀的蓝光照射可以使液滴停止运动(见图2(c )).另外,改变光照方向可以控制液滴的运动方向,液滴运动速度依赖于光的强度及

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