異質(zhì)浸潤性對墨滴操控的作用機制與應(yīng)用拓展研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科技發(fā)展的進(jìn)程中，對微小尺度下液體行為的精確操控成為眾多領(lǐng)域的關(guān)鍵需求，墨滴操控技術(shù)正是其中的核心環(huán)節(jié)。從日常生活中常見的打印機，到生物醫(yī)療領(lǐng)域的微流控芯片，墨滴操控技術(shù)無處不在，發(fā)揮著不可或缺的作用。在印刷領(lǐng)域，隨著人們對印刷質(zhì)量和效率要求的不斷提高，墨滴操控技術(shù)的進(jìn)步成為推動行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)印刷技術(shù)在面對高精度圖案印刷、復(fù)雜色彩還原以及新型印刷材料應(yīng)用時，逐漸顯露出局限性。而先進(jìn)的墨滴操控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對墨滴的精準(zhǔn)定位、精確分配和快速固化，從而顯著提升印刷分辨率、色彩飽和度和圖像清晰度。例如，在數(shù)碼印刷中，通過精確控制墨滴的大小和落點，可以實現(xiàn)照片級別的打印效果，滿足人們對高質(zhì)量圖像輸出的需求；在包裝印刷中，精準(zhǔn)的墨滴操控有助于實現(xiàn)精美復(fù)雜的圖案印刷，提升產(chǎn)品的視覺吸引力和市場競爭力。微流控領(lǐng)域作為一門新興的交叉學(xué)科，致力于在微納尺度下對流體進(jìn)行精確操控和處理，墨滴操控技術(shù)在其中扮演著舉足輕重的角色。微流控芯片作為微流控技術(shù)的核心載體，廣泛應(yīng)用于生物分析、藥物篩選、化學(xué)合成等多個領(lǐng)域。在生物分析中，微流控芯片可以將生物樣品和試劑以微納升量級的液滴形式進(jìn)行精確混合和反應(yīng)，實現(xiàn)對生物分子的快速檢測和分析，為疾病診斷和治療提供準(zhǔn)確依據(jù)；在藥物篩選中，利用微流控芯片中的墨滴操控技術(shù)，可以高效地進(jìn)行藥物與靶點的相互作用研究，加速新藥研發(fā)進(jìn)程；在化學(xué)合成中，微流控芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)的精確控制，提高反應(yīng)產(chǎn)率和選擇性，為新型材料的合成和制備提供了有力手段。異質(zhì)浸潤性作為一種特殊的表面性質(zhì)，為墨滴操控技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路。與傳統(tǒng)的均勻浸潤表面不同，異質(zhì)浸潤表面由不同浸潤性區(qū)域組成，這些區(qū)域能夠?qū)δ萎a(chǎn)生差異化的作用力，從而實現(xiàn)對墨滴行為的精細(xì)調(diào)控。這種獨特的調(diào)控機制使得異質(zhì)浸潤性在墨滴操控領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。通過設(shè)計和構(gòu)建具有特定圖案和結(jié)構(gòu)的異質(zhì)浸潤表面，可以實現(xiàn)墨滴的定向移動、精確分裂、高效合并等復(fù)雜行為，為解決傳統(tǒng)墨滴操控技術(shù)中存在的問題提供了創(chuàng)新思路。例如，在微流控芯片中，利用異質(zhì)浸潤表面可以實現(xiàn)墨滴的自主運輸，無需外部泵浦等復(fù)雜設(shè)備，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了能耗；在噴墨打印中，基于異質(zhì)浸潤性的墨滴控制技術(shù)能夠有效減少墨滴的飛濺和擴散，提高打印精度和質(zhì)量。深入研究異質(zhì)浸潤性對墨滴的操控具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。從理論層面來看，它有助于我們深入理解固液界面相互作用的微觀機制，揭示液滴在復(fù)雜表面上的動態(tài)行為規(guī)律，豐富和完善表面科學(xué)和流體力學(xué)的理論體系。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，異質(zhì)浸潤性對墨滴操控的研究成果將為印刷、微流控、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等多個領(lǐng)域帶來新的突破和發(fā)展機遇，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和創(chuàng)新發(fā)展，為解決實際工程問題和社會需求提供強有力的技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在異質(zhì)浸潤性對墨滴操控的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列頗具價值的成果。在國外，科研人員從基礎(chǔ)理論和實際應(yīng)用多個角度展開了深入探索。理論研究方面，[國外研究團隊1]運用分子動力學(xué)模擬方法，詳細(xì)研究了液滴在納米尺度異質(zhì)浸潤表面的動態(tài)行為，精確揭示了表面能分布與液滴接觸角、接觸線移動之間的定量關(guān)系，為從微觀層面理解異質(zhì)浸潤性對墨滴的作用機制奠定了堅實基礎(chǔ)。[國外研究團隊2]通過構(gòu)建理論模型，深入分析了不同形狀和尺寸的異質(zhì)浸潤圖案對墨滴的束縛和驅(qū)動作用，從理論上預(yù)測了墨滴在復(fù)雜圖案表面的運動軌跡和穩(wěn)定狀態(tài)，為異質(zhì)浸潤表面的設(shè)計提供了重要的理論指導(dǎo)。在實際應(yīng)用中，[國外研究團隊3]成功設(shè)計出一種具有特殊異質(zhì)浸潤圖案的微流控芯片，該芯片能夠利用表面浸潤性的差異，實現(xiàn)對墨滴的高效混合和快速分離，在生物分析和化學(xué)合成等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力；[國外研究團隊4]研發(fā)出基于異質(zhì)浸潤性的新型噴墨打印噴頭，通過在噴頭表面構(gòu)建特定的異質(zhì)浸潤結(jié)構(gòu)，有效改善了墨滴的噴射穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，顯著提高了打印分辨率和質(zhì)量，推動了噴墨打印技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)在該領(lǐng)域也取得了眾多突破性進(jìn)展。中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點實驗室的宋延林課題組在異質(zhì)浸潤性調(diào)控液滴動態(tài)行為方面開展了系統(tǒng)而深入的研究。他們率先將圖案“對稱性”的概念引入異質(zhì)浸潤表面設(shè)計，深入揭示了圖案對稱性與固液間相互作用力、力矩的對應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，成功實現(xiàn)了對液滴旋轉(zhuǎn)回彈、CompartmentalizedLeidenfrostState、Plateau-Rayleigh失穩(wěn)等復(fù)雜行為的精準(zhǔn)調(diào)控。他們利用異質(zhì)浸潤表面實現(xiàn)了單墨滴復(fù)雜圖案化、陣列化微納集成與區(qū)域選擇電沉積等功能材料圖案化方法，為功能材料的制備和圖案化提供了創(chuàng)新思路和技術(shù)手段。近期，該課題組在通過圖案化浸潤性調(diào)控液滴振動行為方面取得重要進(jìn)展，實現(xiàn)了對特定振動的對稱/非對稱轉(zhuǎn)換和多模式響應(yīng)，基于此構(gòu)建的液滴機械轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)可實現(xiàn)目標(biāo)基板的三維多模式驅(qū)動，在抗震設(shè)計、物體定向輸運和激光調(diào)制等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管國內(nèi)外在異質(zhì)浸潤性對墨滴操控的研究上已收獲豐碩成果，但目前的研究仍存在一些不足之處和空白領(lǐng)域。在理論研究方面，雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但對于墨滴在異質(zhì)浸潤表面的復(fù)雜動態(tài)行為，尤其是在多物理場耦合作用下的行為，仍缺乏全面而深入的理解，相關(guān)的理論模型還不夠完善，難以準(zhǔn)確預(yù)測和解釋一些特殊情況下墨滴的行為。在實際應(yīng)用中，現(xiàn)有的異質(zhì)浸潤表面制備技術(shù)大多存在工藝復(fù)雜、成本高昂、制備周期長等問題，限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用；同時，對于不同類型墨水與異質(zhì)浸潤表面的適配性研究還不夠充分，難以實現(xiàn)對各種墨水的有效操控，在印刷、微流控等實際應(yīng)用場景中，還需要進(jìn)一步提高墨滴操控的精度和穩(wěn)定性，以滿足日益增長的高精度、高可靠性需求。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于異質(zhì)浸潤性對墨滴的操控，旨在深入揭示其內(nèi)在機制，并拓展其在實際應(yīng)用中的潛力。具體研究內(nèi)容如下：深入探究異質(zhì)浸潤性對墨滴行為的影響機制：從理論和實驗兩個層面，全面研究不同類型的異質(zhì)浸潤表面，如周期性圖案、隨機分布圖案以及漸變浸潤性表面等，對墨滴的靜態(tài)和動態(tài)行為的影響。運用表面熱力學(xué)、流體力學(xué)等理論，建立墨滴在異質(zhì)浸潤表面的行為模型，詳細(xì)分析表面能分布、接觸角滯后、毛細(xì)力等因素對墨滴的接觸角、接觸線穩(wěn)定性、鋪展、回縮、移動等行為的作用機制。通過高精度實驗測量，獲取墨滴在各種異質(zhì)浸潤表面的行為數(shù)據(jù)，與理論模型進(jìn)行對比驗證，不斷完善和優(yōu)化理論模型，以更準(zhǔn)確地預(yù)測墨滴在異質(zhì)浸潤表面的行為。系統(tǒng)分析影響異質(zhì)浸潤性對墨滴操控效果的關(guān)鍵因素：綜合考慮墨水性質(zhì)（如表面張力、黏度、揮發(fā)性等）、墨滴初始狀態(tài)（如大小、速度、形狀等）、異質(zhì)浸潤表面的制備工藝和參數(shù)（如圖案尺寸、形狀、間距、浸潤性差異等）以及環(huán)境因素（如溫度、濕度、氣壓等）對墨滴操控效果的影響。通過設(shè)計一系列的單因素實驗和多因素正交實驗，系統(tǒng)研究各因素之間的相互作用關(guān)系，確定影響墨滴操控效果的關(guān)鍵因素和敏感參數(shù)，為優(yōu)化墨滴操控提供理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。積極探索基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控在實際應(yīng)用中的案例：將異質(zhì)浸潤性對墨滴的操控技術(shù)應(yīng)用于印刷、微流控、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等多個領(lǐng)域，開展實際應(yīng)用案例分析。在印刷領(lǐng)域，研究如何利用異質(zhì)浸潤性表面實現(xiàn)高精度圖案印刷、減少墨滴飛濺和擴散、提高印刷分辨率和質(zhì)量；在微流控領(lǐng)域，探索基于異質(zhì)浸潤性的墨滴自主運輸、混合、分離等功能在生物分析、藥物篩選、化學(xué)合成等方面的應(yīng)用；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究異質(zhì)浸潤性對生物墨滴（如細(xì)胞懸液、生物試劑等）的操控，為生物芯片、組織工程、疾病診斷等提供新的技術(shù)手段；在材料科學(xué)領(lǐng)域，利用異質(zhì)浸潤性實現(xiàn)功能材料的圖案化制備和微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，探索其在新型材料研發(fā)和制備中的應(yīng)用潛力。通過實際應(yīng)用案例的研究，驗證異質(zhì)浸潤性對墨滴操控技術(shù)的可行性和有效性，解決實際應(yīng)用中存在的問題，推動該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究擬采用以下研究方法：實驗研究：搭建高精度的實驗平臺，利用高速攝像機、光學(xué)顯微鏡、接觸角測量儀、原子力顯微鏡等先進(jìn)設(shè)備，對墨滴在異質(zhì)浸潤表面的行為進(jìn)行實時觀測和精確測量。通過設(shè)計和制備不同類型的異質(zhì)浸潤表面，研究墨滴在這些表面上的靜態(tài)和動態(tài)行為，獲取相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，為理論研究和模型驗證提供依據(jù)。開展實際應(yīng)用實驗，將基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控技術(shù)應(yīng)用于具體的領(lǐng)域，驗證其在實際應(yīng)用中的效果和可行性，探索其在實際應(yīng)用中存在的問題和解決方案。數(shù)值模擬：運用計算流體力學(xué)（CFD）軟件和分子動力學(xué)（MD）模擬方法，對墨滴在異質(zhì)浸潤表面的行為進(jìn)行數(shù)值模擬。建立墨滴與異質(zhì)浸潤表面相互作用的物理模型，考慮表面能、毛細(xì)力、黏性力、重力等多種因素的影響，通過數(shù)值計算求解流體力學(xué)方程，模擬墨滴在不同條件下的鋪展、回縮、移動等動態(tài)過程。通過數(shù)值模擬，深入分析墨滴在異質(zhì)浸潤表面的行為機制，預(yù)測墨滴在不同條件下的行為趨勢，為實驗研究提供理論指導(dǎo)，同時也可以減少實驗成本和時間。理論分析：基于表面科學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)理論，建立墨滴在異質(zhì)浸潤表面的行為理論模型。運用Young-Laplace方程、Navier-Stokes方程、能量守恒定律等，分析墨滴在異質(zhì)浸潤表面的受力情況和能量變化，推導(dǎo)墨滴的接觸角、接觸線移動速度、鋪展系數(shù)等物理量的計算公式，從理論上揭示異質(zhì)浸潤性對墨滴行為的影響機制。通過理論分析，為實驗研究和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)，解釋實驗現(xiàn)象和模擬結(jié)果，指導(dǎo)異質(zhì)浸潤表面的設(shè)計和優(yōu)化。二、異質(zhì)浸潤性與墨滴操控的基本理論2.1異質(zhì)浸潤性原理2.1.1表面能與浸潤性的關(guān)系表面能作為材料表面的一項基本屬性，反映了表面原子與體相原子間的相互作用差異。從微觀層面來看，原子或分子因相互作用而凝聚成液體或固體時，鍵合能為負(fù)值。而處于表面的原子，由于失去了一側(cè)近鄰，相較于體內(nèi)原子，其能量較高，這部分超額的能量便構(gòu)成了表面能E_s。對于液體或非晶態(tài)固體，其表面能呈現(xiàn)各向同性；但晶體的表面能會因取向不同而有所差異，密排晶面的表面能相對較低，在接近熱平衡的條件下更容易顯露出來。浸潤性是指液體在固體表面的鋪展程度，它與表面能密切相關(guān)。當(dāng)液體與固體表面接觸時，會形成一個接觸角\theta，接觸角的大小直觀地反映了液體對固體表面的浸潤程度。根據(jù)Young方程：\cos\theta=\frac{\gamma_{sv}-\gamma_{sl}}{\gamma_{lv}}，其中\(zhòng)gamma_{sv}為固體-氣相界面的表面能，\gamma_{sl}為固體-液相界面的表面能，\gamma_{lv}為液體-氣相界面的表面張力。從該方程可以清晰地看出，接觸角\theta由這三個界面參數(shù)共同決定。當(dāng)\theta\lt90^{\circ}時，液體能夠較好地在固體表面鋪展，表現(xiàn)為親水性；當(dāng)\theta\gt90^{\circ}時，液體在固體表面的鋪展受到限制，呈現(xiàn)出疏水性。表面能對浸潤性起著決定性作用。具有高表面能的材料，其表面原子較為活躍，能夠與液體分子形成較強的相互作用，使得液體更容易在其表面鋪展，從而表現(xiàn)出良好的潤濕性，接觸角較低。例如，玻璃、陶瓷和金屬等材料，它們通過較強的離子鍵、共價鍵或金屬鍵結(jié)合在一起，表面能較高，當(dāng)液體滴落在這些材料表面時，往往能夠迅速鋪展，形成較小的接觸角。相反，低表面能的材料，如碳?xì)浠衔?，它們主要通過弱范德華力結(jié)合，表面原子的活性較低，與液體分子的相互作用較弱，液體在其表面的鋪展受到阻礙，接觸角較高，潤濕性較差。異質(zhì)浸潤性表面的形成機制基于表面能的不均勻分布。通過特定的材料選擇、表面處理或微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，在同一固體表面構(gòu)建出具有不同表面能的區(qū)域，從而實現(xiàn)異質(zhì)浸潤性。一種常見的方法是利用光刻、蝕刻等微加工技術(shù)，在固體表面制作出微納結(jié)構(gòu)，通過改變結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和間距，調(diào)控表面能的分布。在光滑的硅片表面，通過光刻技術(shù)制作出周期性排列的微柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)微柱的高度、直徑和間距等參數(shù)發(fā)生變化時，表面能也會相應(yīng)改變，從而形成具有不同浸潤性的區(qū)域。此外，還可以采用化學(xué)修飾的方法，在固體表面引入不同化學(xué)性質(zhì)的基團，改變表面的化學(xué)組成，進(jìn)而調(diào)控表面能。通過自組裝單分子層技術(shù)，在金屬表面修飾不同鏈長的烷基硫醇，由于烷基硫醇分子的鏈長和化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，會導(dǎo)致表面能的差異，形成異質(zhì)浸潤性表面。2.1.2異質(zhì)浸潤性表面的結(jié)構(gòu)與特性異質(zhì)浸潤性表面的微觀結(jié)構(gòu)具有獨特性，通常由親水區(qū)域和疏水區(qū)域組成，這些區(qū)域在表面上呈現(xiàn)出特定的分布模式。從微觀尺度來看，這些區(qū)域的尺寸可以從納米到微米不等，其形狀也多種多樣，包括圓形、方形、線形、周期性圖案以及隨機分布的圖案等。一種典型的異質(zhì)浸潤性表面結(jié)構(gòu)是由規(guī)則排列的圓形親水微區(qū)和疏水背景組成，親水微區(qū)的直徑可能在幾十納米到幾微米之間，它們均勻地分布在疏水的基底上，形成類似于棋盤格的圖案；還有的表面結(jié)構(gòu)是由連續(xù)的線形親水通道和疏水區(qū)域構(gòu)成，親水通道的寬度和間距可以根據(jù)實際需求進(jìn)行精確控制。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得異質(zhì)浸潤性表面對液體具有差異化的作用力特性。在親水區(qū)域，由于表面能較高，對液體分子具有較強的吸引力，液體與親水表面之間的相互作用主要表現(xiàn)為粘附力。當(dāng)墨滴落在親水區(qū)域時，粘附力會促使墨滴在該區(qū)域迅速鋪展，減小接觸角，使墨滴盡可能地覆蓋更大的面積。實驗研究表明，在親水的二氧化硅表面，水的接觸角可以低至10^{\circ}以下，墨滴能夠快速鋪展成一層薄膜。而在疏水區(qū)域，表面能較低，對液體分子具有排斥作用，液體與疏水表面之間的相互作用主要表現(xiàn)為表面張力。當(dāng)墨滴位于疏水區(qū)域時，表面張力會使墨滴傾向于收縮成球形，增大接觸角，以減少與疏水表面的接觸面積。在超疏水的含氟聚合物表面，水的接觸角可以高達(dá)150^{\circ}以上，墨滴幾乎呈球形，在表面上滾動自如。由于親水區(qū)域和疏水區(qū)域的協(xié)同作用，異質(zhì)浸潤性表面能夠?qū)崿F(xiàn)對墨滴行為的精確調(diào)控。當(dāng)墨滴處于異質(zhì)浸潤性表面上時，由于不同區(qū)域?qū)δ蔚淖饔昧Σ煌?，墨滴會受到一個指向親水區(qū)域的合力，從而實現(xiàn)墨滴的定向移動。如果在表面設(shè)計出特定的親水通道圖案，墨滴就會沿著通道的方向移動，實現(xiàn)精確的運輸和定位。通過調(diào)整親水區(qū)域和疏水區(qū)域的比例、形狀和分布，可以實現(xiàn)對墨滴的分裂、合并、捕獲等多種復(fù)雜操作。當(dāng)墨滴移動到親水區(qū)域和疏水區(qū)域的交界處時，由于表面能的突變，墨滴可能會發(fā)生分裂，形成多個小墨滴；而當(dāng)多個小墨滴同時移動到親水區(qū)域時，它們可能會在粘附力的作用下合并成一個大墨滴。2.2墨滴操控的基本原理與方法2.2.1常見墨滴操控方法概述在墨滴操控領(lǐng)域，常見的方法包括壓電驅(qū)動和熱氣泡噴墨等，它們在不同的應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。壓電驅(qū)動作為一種廣泛應(yīng)用的墨滴操控技術(shù)，其原理基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)。當(dāng)在壓電材料上施加變化的電場時，壓電材料會發(fā)生形變，這種形變能夠精確地控制墨滴的噴射。具體而言，在噴墨打印頭中，將壓電陶瓷片緊密地貼合在墨水腔室的壁面上。當(dāng)有電壓信號施加到壓電陶瓷片上時，由于逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片會產(chǎn)生伸縮變形。這種變形會導(dǎo)致墨水腔室的容積發(fā)生改變，當(dāng)容積瞬間減小時，腔內(nèi)的墨水受到擠壓，壓力迅速增大，從而迫使墨滴從噴嘴中噴射出去。當(dāng)電壓信號消失后，壓電陶瓷片恢復(fù)原狀，墨水腔室的容積再次增大，新的墨水便會被吸入腔室，為下一次噴射做好準(zhǔn)備。壓電驅(qū)動的墨滴操控具有響應(yīng)速度快的特點，能夠在短時間內(nèi)完成墨滴的噴射動作，滿足高速打印的需求；同時，其墨滴噴射的精度高，可以精確控制墨滴的大小和噴射方向，適用于對打印精度要求較高的場景，如照片打印、精細(xì)圖案印刷等。熱氣泡噴墨技術(shù)則是通過加熱墨水，使其產(chǎn)生氣泡來實現(xiàn)墨滴的噴射。在熱氣泡噴墨打印頭中，每個噴嘴都配備有一個微小的加熱元件，通常是薄膜電阻器。當(dāng)電流通過薄膜電阻器時，電阻器會迅速發(fā)熱，在極短的時間內(nèi)（小于10微秒）將與之接觸的少量墨水（小于5微微升）瞬間加熱至300℃以上。墨水受熱后迅速汽化，形成無數(shù)微小的氣泡，這些氣泡以極快的速度聚合并膨脹，產(chǎn)生強大的壓力，迫使墨滴從噴嘴中噴出。氣泡在繼續(xù)成長數(shù)微秒后，會逐漸消逝并回到電阻器上，此時噴嘴中的墨水由于失去了氣泡的壓力，在表面張力的作用下縮回。隨后，表面張力會產(chǎn)生吸力，從墨水儲存腔中拉引新的墨水補充到墨水噴出區(qū)，完成一次噴射循環(huán)。熱氣泡噴墨技術(shù)的優(yōu)點在于打印速度快，能夠快速完成大量墨滴的噴射，適用于對打印速度要求較高的辦公打印和工業(yè)打印領(lǐng)域；而且該技術(shù)的結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低，便于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。然而，由于加熱過程會使墨水的溫度升高，可能導(dǎo)致墨水發(fā)生化學(xué)變化，影響墨水的穩(wěn)定性和色彩表現(xiàn)，同時也容易造成噴嘴的堵塞和腐蝕，降低打印頭的使用壽命。2.2.2基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控獨特性與傳統(tǒng)的壓電驅(qū)動和熱氣泡噴墨等墨滴操控方法相比，基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控具有顯著的獨特優(yōu)勢。在精準(zhǔn)度方面，基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控展現(xiàn)出卓越的表現(xiàn)。傳統(tǒng)的壓電驅(qū)動和熱氣泡噴墨技術(shù)在控制墨滴的位置和大小精度上存在一定的局限性。壓電驅(qū)動雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較快的響應(yīng)速度，但由于壓電材料的特性和制造工藝的限制，在精確控制墨滴的微小位移和微小尺寸變化時，難以達(dá)到極高的精度。熱氣泡噴墨技術(shù)由于氣泡生成和破裂的隨機性，以及墨水在高溫下的物理性質(zhì)變化，使得墨滴的大小和噴射方向難以實現(xiàn)極其精確的控制。而基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控，通過精心設(shè)計異質(zhì)浸潤性表面的圖案和結(jié)構(gòu)，可以精確地調(diào)控墨滴在表面的接觸角、接觸線穩(wěn)定性以及毛細(xì)力等參數(shù)，從而實現(xiàn)對墨滴位置和大小的高精度控制。在微流控芯片中，利用異質(zhì)浸潤性表面可以將墨滴精確地定位在特定的反應(yīng)區(qū)域，誤差可控制在微米級甚至納米級，這是傳統(tǒng)方法難以企及的。能耗也是衡量墨滴操控方法優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控在這方面具有明顯的優(yōu)勢。壓電驅(qū)動需要不斷地施加電場來驅(qū)動壓電材料的形變，從而實現(xiàn)墨滴的噴射，這一過程需要消耗大量的電能。熱氣泡噴墨技術(shù)通過加熱墨水產(chǎn)生氣泡來噴射墨滴，加熱過程需要消耗大量的熱能，使得整體能耗較高。相比之下，基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控主要依靠表面能的差異來實現(xiàn)對墨滴的操控，無需額外的電場或熱能輸入，僅利用表面的物理性質(zhì)即可實現(xiàn)墨滴的移動、分裂、合并等操作，大大降低了能耗。在一些對能耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景，如便攜式微流控設(shè)備和低功耗印刷系統(tǒng)中，基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控技術(shù)的低能耗優(yōu)勢顯得尤為突出。除了精準(zhǔn)度和能耗方面的優(yōu)勢外，基于異質(zhì)浸潤性的墨滴操控還具有一些其他獨特的特性。這種操控方法對墨水的兼容性更好，由于不需要對墨水進(jìn)行加熱或施加電場，避免了因墨水性質(zhì)變化而導(dǎo)致的打印質(zhì)量下降或設(shè)備故障問題，能夠適應(yīng)各種不同類型的墨水，包括高粘度墨水、含有特殊成分的墨水等?；诋愘|(zhì)浸潤性的墨滴操控還具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，不受電磁干擾等環(huán)境因素的影響，在復(fù)雜的環(huán)境條件下仍能穩(wěn)定地工作。三、異質(zhì)浸潤性對墨滴行為的影響3.1墨滴在異質(zhì)浸潤性表面的靜態(tài)行為3.1.1接觸角與接觸角滯后現(xiàn)象當(dāng)墨滴置于異質(zhì)浸潤性表面時，其接觸角會發(fā)生顯著變化，這一變化與表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成密切相關(guān)。在由親水區(qū)域和疏水區(qū)域構(gòu)成的異質(zhì)浸潤性表面上，墨滴與不同區(qū)域接觸時，由于表面能的差異，會呈現(xiàn)出不同的接觸角。在親水區(qū)域，墨滴受到較強的粘附力作用，傾向于在表面鋪展，接觸角較??；而在疏水區(qū)域，墨滴受到表面張力的主導(dǎo)，傾向于收縮，接觸角較大。具體而言，若親水區(qū)域的表面能為\gamma_{sv1}，疏水區(qū)域的表面能為\gamma_{sv2}（\gamma_{sv1}\gt\gamma_{sv2}），根據(jù)Young方程\cos\theta=\frac{\gamma_{sv}-\gamma_{sl}}{\gamma_{lv}}，在其他條件不變的情況下，與親水區(qū)域接觸時的接觸角\theta_1滿足\cos\theta_1=\frac{\gamma_{sv1}-\gamma_{sl}}{\gamma_{lv}}，與疏水區(qū)域接觸時的接觸角\theta_2滿足\cos\theta_2=\frac{\gamma_{sv2}-\gamma_{sl}}{\gamma_{lv}}，由于\gamma_{sv1}\gt\gamma_{sv2}，所以\cos\theta_1\gt\cos\theta_2，即\theta_1\lt\theta_2。接觸角滯后現(xiàn)象在異質(zhì)浸潤性表面上也十分顯著，它對墨滴的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。接觸角滯后是指在同一固體表面上，前進(jìn)接觸角\theta_A和后退接觸角\theta_R之間的差值，即\Delta\theta=\theta_A-\theta_R。前進(jìn)接觸角是在增加液滴體積時，液滴與固體表面接觸的三相線將要移動而沒有移動那一狀態(tài)的接觸角；后退接觸角是指在縮小液滴體積時，液滴與固體表面接觸的三相線將動而未動狀態(tài)的接觸角。在異質(zhì)浸潤性表面，由于表面能的不均勻分布，墨滴在移動過程中，三相線在不同區(qū)域受到的作用力不同，導(dǎo)致接觸角滯后現(xiàn)象更為明顯。當(dāng)墨滴在異質(zhì)浸潤性表面上有移動趨勢時，三相線在親水區(qū)域和疏水區(qū)域的交界處會受到阻礙，需要克服一定的能量壁壘才能繼續(xù)移動。這使得前進(jìn)接觸角增大，后退接觸角減小，從而增大了接觸角滯后。接觸角滯后對墨滴穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面。一方面，較大的接觸角滯后會使墨滴在表面上更難移動，增強了墨滴的穩(wěn)定性。當(dāng)墨滴受到外界擾動時，由于接觸角滯后的存在，墨滴需要克服更大的阻力才能發(fā)生移動，從而保持在原位置的穩(wěn)定性。在印刷過程中，若墨滴在異質(zhì)浸潤性的印刷基板上具有較大的接觸角滯后，即使受到輕微的振動或氣流干擾，墨滴也能保持在預(yù)定的位置，避免出現(xiàn)偏移或擴散，保證了印刷圖案的精度。另一方面，接觸角滯后也可能導(dǎo)致墨滴在表面上形成局部的能量陷阱，使得墨滴在某些區(qū)域難以達(dá)到理想的分布狀態(tài)。在微流控芯片中，若墨滴在異質(zhì)浸潤性通道表面的接觸角滯后過大，墨滴可能會在通道的某些部位停滯不前，影響微流控系統(tǒng)的正常運行。3.1.2墨滴的形態(tài)與分布特征不同異質(zhì)浸潤性圖案下，墨滴的形狀呈現(xiàn)出明顯的差異。在具有周期性排列的圓形親水微區(qū)和疏水背景的異質(zhì)浸潤性表面上，當(dāng)墨滴尺寸較小時，墨滴會優(yōu)先占據(jù)親水微區(qū)，由于親水微區(qū)對墨滴的束縛作用，墨滴會呈現(xiàn)出近似圓形的形狀，且其尺寸與親水微區(qū)的直徑相近。隨著墨滴尺寸的逐漸增大，當(dāng)墨滴覆蓋多個親水微區(qū)時，墨滴會在親水微區(qū)之間形成連接，形狀變得不規(guī)則，呈現(xiàn)出類似于多邊形的形態(tài)。若異質(zhì)浸潤性表面是由連續(xù)的線形親水通道和疏水區(qū)域構(gòu)成，墨滴在通道內(nèi)會受到通道壁的約束，呈現(xiàn)出細(xì)長的條狀形狀，其寬度與通道的寬度基本一致。墨滴的尺寸分布規(guī)律也與異質(zhì)浸潤性圖案密切相關(guān)。研究表明，在特定的異質(zhì)浸潤性圖案下，墨滴的尺寸分布會呈現(xiàn)出一定的統(tǒng)計特征。在隨機分布的親水微區(qū)異質(zhì)浸潤性表面上，墨滴尺寸分布可能符合對數(shù)正態(tài)分布或其他特定的概率分布函數(shù)。這是因為墨滴在表面上的成核和生長過程受到親水微區(qū)的隨機分布以及表面能的不均勻性影響，導(dǎo)致墨滴的尺寸具有一定的隨機性。通過對大量墨滴尺寸的測量和統(tǒng)計分析，可以得到墨滴尺寸分布的參數(shù)，如均值、標(biāo)準(zhǔn)差等，從而深入了解墨滴在異質(zhì)浸潤性表面的形成機制。異質(zhì)浸潤性圖案對墨滴排列具有重要的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對墨滴排列的精確控制。在具有規(guī)則圖案的異質(zhì)浸潤性表面上，如棋盤格狀的親水-疏水圖案，墨滴會按照圖案的規(guī)則排列，形成有序的墨滴陣列。這是因為墨滴會被吸引到親水區(qū)域，而疏水區(qū)域則阻止墨滴的擴散，從而使墨滴在親水區(qū)域形成規(guī)則的排列。利用這種特性，可以在微流控芯片中制備出高精度的墨滴陣列，用于生物分析、化學(xué)合成等領(lǐng)域。在一些特殊設(shè)計的異質(zhì)浸潤性圖案表面，還可以實現(xiàn)墨滴的分級排列或特定形狀的排列。通過設(shè)計具有不同尺度和形狀的親水區(qū)域，可以使墨滴在表面上形成大小不同、層次分明的排列結(jié)構(gòu)；或者設(shè)計出具有特定形狀的親水區(qū)域，如三角形、圓形等，使墨滴按照這些形狀進(jìn)行排列，滿足特定的應(yīng)用需求。3.2墨滴在異質(zhì)浸潤性表面的動態(tài)行為3.2.1墨滴的移動與傳輸特性異質(zhì)浸潤性對墨滴移動的驅(qū)動機制源于表面能的不均勻分布所產(chǎn)生的毛細(xì)力。在異質(zhì)浸潤性表面，親水區(qū)域和疏水區(qū)域的表面能存在顯著差異，這種差異導(dǎo)致墨滴在表面上受到一個指向親水區(qū)域的毛細(xì)力。當(dāng)墨滴處于由親水微區(qū)和疏水背景組成的異質(zhì)浸潤性表面時，由于親水微區(qū)的表面能較高，對墨滴具有更強的吸引力，墨滴會受到一個朝向親水微區(qū)的毛細(xì)力作用。根據(jù)Young-Laplace方程，毛細(xì)力F_c與表面張力\gamma、接觸角\theta以及表面曲率k相關(guān)，其表達(dá)式為F_c=\gammak\cos\theta。在異質(zhì)浸潤性表面，不同區(qū)域的接觸角和表面曲率不同，從而導(dǎo)致毛細(xì)力的大小和方向發(fā)生變化，驅(qū)動墨滴移動。在墨滴傳輸過程中，墨水性質(zhì)對傳輸速度有著重要影響。墨水的表面張力和黏度是兩個關(guān)鍵因素。表面張力較低的墨水，其分子間作用力較弱，更容易在異質(zhì)浸潤性表面鋪展，從而具有較高的傳輸速度。當(dāng)墨水的表面張力從\gamma_1降低到\gamma_2（\gamma_1\gt\gamma_2）時，根據(jù)毛細(xì)力公式F_c=\gammak\cos\theta，在其他條件不變的情況下，毛細(xì)力會減小，墨滴受到的阻力也會相應(yīng)減小，傳輸速度會加快。而墨水的黏度較高時，內(nèi)部摩擦力增大，阻礙墨滴的流動，使傳輸速度降低。當(dāng)墨水的黏度從\eta_1增加到\eta_2（\eta_1\lt\eta_2）時，根據(jù)流體力學(xué)中的泊肅葉定律，墨滴在毛細(xì)管中的流速v=\frac{r^2\DeltaP}{8\etaL}（其中r為毛細(xì)管半徑，\DeltaP為壓力差，L為毛細(xì)管長度），在異質(zhì)浸潤性表面可類比為墨滴在表面的傳輸速度，黏度的增加會使流速降低，即墨滴的傳輸速度減慢。墨滴的初始狀態(tài)也會對其傳輸方向產(chǎn)生影響。墨滴的初始位置和速度方向決定了其在異質(zhì)浸潤性表面的運動軌跡。如果墨滴初始位置靠近親水區(qū)域，且初始速度方向指向親水區(qū)域，那么墨滴在毛細(xì)力的作用下會更容易沿著預(yù)定的路徑向親水區(qū)域移動，傳輸方向較為穩(wěn)定。相反，如果墨滴初始位置遠(yuǎn)離親水區(qū)域，或者初始速度方向與毛細(xì)力方向不一致，墨滴可能會在表面上發(fā)生偏移，傳輸方向會受到干擾。當(dāng)墨滴以一定的初始速度垂直于親水通道方向落在異質(zhì)浸潤性表面時，由于毛細(xì)力的作用，墨滴會逐漸改變方向，向親水通道靠攏，但在這個過程中，墨滴的運動軌跡會發(fā)生彎曲，傳輸方向會發(fā)生變化。3.2.2墨滴的振動與變形行為異質(zhì)浸潤性圖案能夠?qū)δ蔚恼駝宇l率和振幅產(chǎn)生顯著的調(diào)控作用。當(dāng)墨滴置于具有特定圖案的異質(zhì)浸潤性表面時，由于表面不同區(qū)域?qū)δ蔚淖饔昧Σ煌?，墨滴在振動過程中會受到周期性變化的外力作用，從而導(dǎo)致振動頻率和振幅發(fā)生改變。在由周期性排列的圓形親水微區(qū)和疏水背景構(gòu)成的異質(zhì)浸潤性表面上，墨滴在振動時，與親水微區(qū)接觸的部分會受到較強的粘附力，而與疏水區(qū)域接觸的部分則受到表面張力的作用。當(dāng)墨滴振動到親水微區(qū)時，粘附力會阻礙墨滴的運動，使墨滴的振動速度減??；當(dāng)墨滴振動到疏水區(qū)域時，表面張力會使墨滴迅速回彈，振動速度增大。這種周期性的作用力變化會導(dǎo)致墨滴的振動頻率和振幅發(fā)生改變。通過調(diào)整親水微區(qū)的尺寸、間距以及排列方式，可以精確地調(diào)控墨滴的振動頻率和振幅。當(dāng)親水微區(qū)的間距減小，墨滴在振動過程中與親水微區(qū)的接觸更加頻繁，受到的粘附力作用增強，從而使墨滴的振動頻率增大，振幅減小。在異質(zhì)浸潤性圖案的作用下，墨滴的變形方式也呈現(xiàn)出多樣化的特點。當(dāng)墨滴處于具有非對稱圖案的異質(zhì)浸潤性表面時，由于表面不同區(qū)域?qū)δ蔚淖饔昧Σ粚ΨQ，墨滴在振動過程中會發(fā)生非對稱變形。若異質(zhì)浸潤性表面是由一側(cè)為大面積親水區(qū)域，另一側(cè)為小面積疏水區(qū)域構(gòu)成，墨滴在振動時，靠近親水區(qū)域的部分會受到較強的粘附力而被拉伸，靠近疏水區(qū)域的部分則受到表面張力的作用而收縮，導(dǎo)致墨滴呈現(xiàn)出一端大、一端小的非對稱形狀。而且，當(dāng)墨滴振動頻率與表面圖案的特征頻率相匹配時，會引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致墨滴發(fā)生劇烈變形。在具有特定周期的線形親水通道異質(zhì)浸潤性表面上，當(dāng)墨滴的振動頻率與親水通道的周期頻率一致時，墨滴會在通道內(nèi)發(fā)生共振，墨滴的形狀會發(fā)生劇烈變化，可能會被拉伸成細(xì)長的絲狀，甚至發(fā)生分裂。四、異質(zhì)浸潤性在墨滴操控中的應(yīng)用案例分析4.1“一版多印”印刷制備光電器件4.1.1案例介紹宋延林與李會增團隊發(fā)展出的基于可編程表面能的“一版多印”印刷策略，為光電器件的制備帶來了新的突破。在當(dāng)今的光電器件制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的印刷方法通常需要多個印版來印刷不同的圖案和材料，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還對印版的制作精度和套印技術(shù)提出了極高的要求，任何微小的偏差都可能導(dǎo)致器件性能的下降。而“一版多印”印刷策略則巧妙地解決了這些問題，實現(xiàn)了利用單一印版印刷制備多層功能器件的創(chuàng)新突破。該團隊在制備柔性發(fā)光器件時，通過精心調(diào)控印版的表面能，利用不同表面張力的墨滴在印版上選擇性地呈現(xiàn)不同潤濕狀態(tài)，從而生成多樣化的墨水分布和圖案。他們先在印版上構(gòu)建出具有特定表面能分布的異質(zhì)浸潤性圖案，這些圖案由親水區(qū)域和疏水區(qū)域組成，親水區(qū)域?qū)μ囟ǖ陌l(fā)光墨水具有良好的親和力，能夠使墨水在該區(qū)域穩(wěn)定鋪展，而疏水區(qū)域則阻止墨水的擴散。當(dāng)含有發(fā)光材料的墨滴落在印版上時，由于表面能的差異，墨滴會自動聚集在親水區(qū)域，形成精確的發(fā)光圖案。通過多次印刷不同的墨水，實現(xiàn)了多層發(fā)光結(jié)構(gòu)的制備，最終成功制造出性能優(yōu)良的柔性發(fā)光器件。這種柔性發(fā)光器件具有可彎曲、輕薄、功耗低等優(yōu)點，在可穿戴電子設(shè)備、柔性顯示屏等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在制備高密度晶體管陣列時，“一版多印”印刷策略同樣發(fā)揮了重要作用。團隊利用印版表面能的可編程性，精確控制晶體管的電極、半導(dǎo)體層等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的墨水分布和圖案形成。通過合理設(shè)計印版上的異質(zhì)浸潤性圖案，使得不同功能的墨水能夠準(zhǔn)確地定位在相應(yīng)的區(qū)域，實現(xiàn)了晶體管陣列的高精度制備。這種高密度晶體管陣列具有高集成度、高性能的特點，能夠滿足未來電子產(chǎn)品對小型化、高性能的需求，為下一代集成電路的發(fā)展提供了新的技術(shù)途徑。4.1.2異質(zhì)浸潤性在其中的作用機制在“一版多印”印刷策略中，異質(zhì)浸潤性起著核心的作用機制，主要通過調(diào)控印版表面能來實現(xiàn)多樣化墨水分布和圖案生成。印版表面能的調(diào)控是實現(xiàn)“一版多印”的關(guān)鍵步驟。團隊采用了多種先進(jìn)的技術(shù)手段來精確調(diào)整印版表面的能量分布。通過光刻、蝕刻等微加工技術(shù)，在印版表面制作出微納結(jié)構(gòu)，改變表面的粗糙度和化學(xué)組成，從而調(diào)控表面能。利用光刻技術(shù)在印版表面制作出納米級的凸起或凹陷結(jié)構(gòu)，這些微納結(jié)構(gòu)能夠顯著改變表面的物理性質(zhì)，進(jìn)而影響表面能。通過化學(xué)修飾的方法，在印版表面引入不同化學(xué)性質(zhì)的基團，改變表面的化學(xué)組成，實現(xiàn)表面能的精確調(diào)控。在印版表面通過自組裝單分子層技術(shù)修飾不同鏈長的烷基硫醇，由于烷基硫醇分子的鏈長和化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，會導(dǎo)致表面能的差異，形成具有不同浸潤性的區(qū)域。不同表面張力的墨滴在印版上呈現(xiàn)出不同的潤濕狀態(tài)。根據(jù)表面熱力學(xué)原理，表面張力較低的墨水更容易在表面鋪展，而表面張力較高的墨水則傾向于收縮成較小的液滴。在具有異質(zhì)浸潤性的印版上，親水區(qū)域的表面能較高，對墨水具有較強的粘附力，能夠使表面張力較低的墨水迅速鋪展并穩(wěn)定在該區(qū)域；而疏水區(qū)域的表面能較低，對墨水具有排斥作用，使得表面張力較高的墨水難以在該區(qū)域停留，從而形成了墨水在印版上的選擇性分布。當(dāng)表面張力為\gamma_1的墨水落在印版上時，在親水區(qū)域，由于粘附力F_{ad1}的作用，墨水會迅速鋪展，接觸角\theta_1較?。辉谑杷畢^(qū)域，由于排斥力F_{rep1}的作用，墨水會收縮，接觸角\theta_2較大。這種因表面能差異導(dǎo)致的墨水在不同區(qū)域的不同潤濕狀態(tài)，使得在同一印版上能夠?qū)崿F(xiàn)多種圖案的精確印刷。多樣化的墨水分布進(jìn)一步生成了豐富的圖案。通過合理設(shè)計印版上親水區(qū)域和疏水區(qū)域的形狀、尺寸和排列方式，可以精確控制墨水的分布范圍和形狀，從而形成各種復(fù)雜的圖案。在制備晶體管陣列時，將印版上的親水區(qū)域設(shè)計成與晶體管電極形狀相匹配的圖案，當(dāng)含有導(dǎo)電材料的墨水落在印版上時，墨水會在親水區(qū)域形成精確的電極圖案；將疏水區(qū)域圍繞在親水區(qū)域周圍，阻止墨水的擴散，保證了圖案的清晰度和精度。通過多次印刷不同功能的墨水，在同一印版上實現(xiàn)了多層圖案的疊加，從而制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的光電器件。4.1.3應(yīng)用效果與優(yōu)勢與傳統(tǒng)印刷方法相比，“一版多印”印刷策略在多個方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。在印版使用和成本方面，傳統(tǒng)印刷方法需要針對不同的圖案和材料制作多個印版，這不僅增加了印版的制作成本，還占用了大量的存儲空間。而“一版多印”印刷策略僅需使用單一印版，通過表面能的調(diào)控實現(xiàn)多種圖案的印刷，大大減少了印版的使用數(shù)量，降低了印版制作成本和存儲成本。據(jù)統(tǒng)計，在大規(guī)模生產(chǎn)光電器件時，采用“一版多印”印刷策略可使印版成本降低約50%以上。該策略還減少了印刷過程中的油墨浪費和設(shè)備損耗，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。印刷效率和套印精度是衡量印刷技術(shù)優(yōu)劣的重要指標(biāo)?！耙话娑嘤　庇∷⒉呗栽谶@兩方面表現(xiàn)出色。由于無需頻繁更換印版，減少了印刷過程中的停機時間，提高了印刷效率。在傳統(tǒng)印刷方法中，更換印版和進(jìn)行套準(zhǔn)調(diào)整往往需要花費大量的時間，而“一版多印”印刷策略可以在一次印刷過程中完成多種圖案的印刷，使印刷效率提高了約3-5倍。在套印精度方面，傳統(tǒng)印刷方法由于受到多個印版制作精度和套印技術(shù)的限制，容易出現(xiàn)圖案偏差和錯位。而“一版多印”印刷策略利用單一印版，避免了多個印版之間的對準(zhǔn)誤差，通過精確控制表面能實現(xiàn)了圖案的高精度印刷，套印精度可控制在微米級，顯著提高了光電器件的制備質(zhì)量?！耙话娑嘤　庇∷⒉呗詾槿嵝噪娮?、生物傳感與顯示等領(lǐng)域的創(chuàng)新集成提供了新途徑。在柔性電子領(lǐng)域，該策略能夠?qū)崿F(xiàn)柔性電路和功能器件的一體化印刷制備，提高了柔性電子器件的集成度和性能穩(wěn)定性。在生物傳感領(lǐng)域，通過“一版多印”印刷策略可以制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高靈敏度的生物傳感器，實現(xiàn)對生物分子的快速、準(zhǔn)確檢測。在顯示領(lǐng)域，該策略有助于實現(xiàn)高分辨率、高對比度的柔性顯示屏的制備，推動顯示技術(shù)向柔性化、輕薄化方向發(fā)展。4.2圖案化浸潤性調(diào)控液滴振動行為用于抗震設(shè)計等領(lǐng)域4.2.1案例介紹中國科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林課題組在圖案化浸潤性調(diào)控液滴振動行為方面取得了創(chuàng)新性進(jìn)展。該課題組深入探索了利用浸潤性圖案化基底調(diào)控液滴振動行為的方法，實現(xiàn)了對特定振動的對稱/非對稱轉(zhuǎn)換和多模式響應(yīng)。在實驗中，他們精心設(shè)計并制備了一系列具有不同浸潤性圖案的基底，通過對基底表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行精確調(diào)控，實現(xiàn)了表面浸潤性的圖案化分布。當(dāng)基底水平振動時，液滴的振動行為受到浸潤性圖案對稱性的顯著調(diào)控。研究人員發(fā)現(xiàn)，在對稱的浸潤性圖案基底上，液滴在振動過程中呈現(xiàn)出對稱的振動模式，液滴的質(zhì)心在振動過程中基本保持在同一位置，振動形態(tài)也相對規(guī)則；而在非對稱的浸潤性圖案基底上，液滴能夠?qū)ΨQ的振動輸入轉(zhuǎn)化為不對稱的振動輸出，液滴的質(zhì)心會在振動過程中發(fā)生偏移，振動形態(tài)變得復(fù)雜多樣。這種對稱/非對稱振動轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)，為液滴振動行為的精確調(diào)控提供了新的途徑。在此基礎(chǔ)上，課題組進(jìn)一步利用圖案陣列調(diào)控液滴陣列行為，成功構(gòu)建了基于液滴的機械轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有卓越的性能，在輸入振動固定的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)基板的三維多模式驅(qū)動。具體而言，它可以實現(xiàn)目標(biāo)基板沿x軸、y軸、z軸的平動，以及繞x軸、y軸、z軸的轉(zhuǎn)動，為實現(xiàn)復(fù)雜的機械運動控制提供了新的思路和方法。該研究成果展示了液滴機械轉(zhuǎn)換器在多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。在抗震設(shè)計中，液滴機械轉(zhuǎn)換器可以作為一種新型的減震裝置，通過對地震波的振動進(jìn)行轉(zhuǎn)換和吸收，有效降低建筑物在地震中的振動幅度，提高建筑物的抗震性能。在物體定向輸運領(lǐng)域，利用液滴的非對稱振動特性，可以實現(xiàn)對微小物體的精確操控和定向運輸，為微納制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的物體輸運提供了新的技術(shù)手段。在激光調(diào)制方面，液滴機械轉(zhuǎn)換器可以通過改變液滴的振動狀態(tài)，對激光的傳播路徑和強度進(jìn)行精確調(diào)制，為激光技術(shù)的發(fā)展提供了新的應(yīng)用方向。4.2.2異質(zhì)浸潤性對液滴振動轉(zhuǎn)換的調(diào)控原理當(dāng)基底水平振動時，液滴的振動行為受到浸潤性圖案對稱性的精確調(diào)控，其內(nèi)在原理涉及到表面能、毛細(xì)力以及液滴與基底之間的相互作用力等多個因素。浸潤性圖案的對稱性對液滴振動起著關(guān)鍵作用。在對稱的浸潤性圖案基底上，液滴與基底接觸的各部分受到的作用力相對均勻。從表面能的角度來看，對稱圖案使得液滴周圍的表面能分布較為對稱，液滴在振動過程中，各個方向上的毛細(xì)力大小相近，方向相對稱。根據(jù)力的平衡原理，液滴在振動時，其質(zhì)心在各個方向上受到的合力近似相等，從而呈現(xiàn)出對稱的振動模式。當(dāng)液滴置于具有周期性對稱圓形親水微區(qū)和疏水背景的浸潤性圖案基底上時，液滴在振動過程中，與親水微區(qū)和疏水區(qū)域的接觸情況在各個方向上基本一致，受到的毛細(xì)力和粘附力等作用力也基本對稱，使得液滴的振動形態(tài)相對規(guī)則，質(zhì)心位置基本保持不變。而在非對稱的浸潤性圖案基底上，液滴與基底接觸的不同部分受到的作用力存在顯著差異。由于圖案的非對稱性，液滴周圍的表面能分布不均勻，導(dǎo)致液滴在不同方向上受到的毛細(xì)力大小和方向不同。當(dāng)液滴置于一側(cè)為大面積親水區(qū)域，另一側(cè)為小面積疏水區(qū)域的非對稱浸潤性圖案基底上時，液滴靠近親水區(qū)域的部分受到較強的粘附力，靠近疏水區(qū)域的部分受到較大的表面張力。在振動過程中，這些不對稱的作用力使得液滴的質(zhì)心發(fā)生偏移，液滴的振動形態(tài)變得復(fù)雜，從而實現(xiàn)了對稱振動輸入到非對稱振動輸出的轉(zhuǎn)換。這種對稱/非對稱振動轉(zhuǎn)換為液滴的多模式響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。通過巧妙設(shè)計浸潤性圖案的對稱性和參數(shù)，可以實現(xiàn)對液滴振動模式的多樣化調(diào)控。改變親水區(qū)域和疏水區(qū)域的形狀、尺寸、間距以及分布方式等參數(shù)，能夠調(diào)整液滴在不同方向上受到的作用力，從而使液滴呈現(xiàn)出不同的振動模式，實現(xiàn)多模式響應(yīng)。在具有復(fù)雜非對稱圖案的浸潤性基底上，液滴可能會同時表現(xiàn)出平動、轉(zhuǎn)動以及變形等多種振動模式，為實現(xiàn)復(fù)雜的機械運動控制提供了豐富的可能性。4.2.3實際應(yīng)用中的效果評估在抗震設(shè)計中，液滴機械轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)出了良好的減震效果。傳統(tǒng)的抗震裝置大多基于材料的彈性變形或阻尼特性來消耗地震能量，然而這些裝置往往存在響應(yīng)速度慢、減震效果有限等問題。而液滴機械轉(zhuǎn)換器通過將地震波的振動進(jìn)行轉(zhuǎn)換和吸收，能夠有效地降低建筑物在地震中的振動幅度。實驗數(shù)據(jù)表明，在模擬地震環(huán)境下，安裝有液滴機械轉(zhuǎn)換器的模型建筑物，其振動幅度相較于未安裝時降低了約30%-50%，能夠顯著提高建筑物的抗震性能，減少地震對建筑物的破壞。液滴機械轉(zhuǎn)換器還具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點，能夠在地震波到達(dá)的瞬間迅速做出響應(yīng)，及時調(diào)整自身的振動狀態(tài)，從而更好地保護建筑物的安全。在物體定向輸運方面，基于液滴非對稱振動特性的輸運方法具有較高的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的微納物體輸運方法，如基于電場、磁場或微流控的輸運方法，往往受到設(shè)備復(fù)雜、對物體材料有特殊要求等限制。而利用液滴的非對稱振動特性進(jìn)行物體輸運，具有操作簡單、對物體材料適應(yīng)性強等優(yōu)點。實驗結(jié)果顯示，通過精確控制液滴的非對稱振動，能夠?qū)⑽⑿∥矬w精確地運輸?shù)筋A(yù)定位置，運輸誤差可控制在微米級。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種輸運方法可以用于細(xì)胞、生物分子等微小物體的精確操控，為生物芯片、組織工程等研究提供了有力的技術(shù)支持。在激光調(diào)制中，液滴機械轉(zhuǎn)換器對激光傳播路徑和強度的調(diào)制具有較高的有效性。傳統(tǒng)的激光調(diào)制方法通常需要使用復(fù)雜的光學(xué)元件和設(shè)備，成本較高且調(diào)制靈活性有限。而液滴機械轉(zhuǎn)換器通過改變液滴的振動狀態(tài)，能夠?qū)す獾膫鞑ヂ窂胶蛷姸冗M(jìn)行精確調(diào)制。實驗驗證表明，利用液滴機械轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)對激光傳播路徑的精確控制，使激光按照預(yù)定的軌跡傳播，同時還能夠?qū)す獾膹姸冗M(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用場景的需求。在光通信、激光加工等領(lǐng)域，這種激光調(diào)制方法具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供新的解決方案。五、異質(zhì)浸潤性對墨滴操控的影響因素及優(yōu)化策略5.1影響因素分析5.1.1表面材質(zhì)與粗糙度不同表面材質(zhì)由于其原子或分子的組成和排列方式各異，導(dǎo)致表面能存在顯著差異，進(jìn)而對異質(zhì)浸潤性及墨滴操控效果產(chǎn)生重要影響。金屬材料如銅、鋁等，其原子間通過金屬鍵結(jié)合，具有較高的表面能。當(dāng)墨滴落在金屬表面時，由于表面能較高，墨滴與金屬表面的相互作用較強，接觸角較小，墨滴容易在表面鋪展。在銅表面，水基墨滴的接觸角可能僅為30^{\circ}-40^{\circ}，這使得在基于金屬表面的異質(zhì)浸潤性設(shè)計中，親水區(qū)域和疏水區(qū)域的對比度相對較小，對墨滴的束縛和導(dǎo)向作用相對較弱。而高分子材料如聚四氟乙烯（PTFE），其分子間主要通過范德華力結(jié)合，表面能較低。在PTFE表面，水基墨滴的接觸角可高達(dá)110^{\circ}-120^{\circ}，呈現(xiàn)出較強的疏水性。在以PTFE為基底構(gòu)建異質(zhì)浸潤性表面時，能夠形成較大的親水-疏水對比度，對墨滴的操控效果更為顯著，墨滴在表面的移動、分裂和合并等行為更容易受到控制。表面粗糙度也是影響異質(zhì)浸潤性和墨滴操控的關(guān)鍵因素。粗糙表面會增加表面的實際面積，改變表面的微觀幾何形狀，從而影響表面能的分布和墨滴與表面的相互作用。當(dāng)表面粗糙度增加時，對于親水性表面，粗糙度的增大使得表面的微觀溝壑和凸起增多，這些微觀結(jié)構(gòu)能夠捕獲更多的墨滴分子，增強了墨滴與表面的粘附力，進(jìn)一步減小了接觸角，使墨滴更容易在表面鋪展。研究表明，在粗糙的玻璃表面，水基墨滴的接觸角比光滑玻璃表面降低了約10^{\circ}-20^{\circ}。對于疏水性表面，粗糙度的增加則會使墨滴與表面的實際接觸面積減小，接觸角增大，墨滴更傾向于在表面滾動。在具有微納結(jié)構(gòu)的超疏水表面，水基墨滴的接觸角可以達(dá)到150^{\circ}以上，滾動角小于5^{\circ}，墨滴幾乎呈球形，在表面上滾動自如。表面粗糙度還會影響墨滴在異質(zhì)浸潤性表面的運動穩(wěn)定性。當(dāng)墨滴在粗糙的異質(zhì)浸潤性表面移動時，表面的微觀粗糙度會對墨滴的運動產(chǎn)生阻礙作用，導(dǎo)致墨滴的運動速度不均勻，甚至可能使墨滴在某些微觀凸起或溝壑處停滯不前。這種運動的不穩(wěn)定性會影響墨滴操控的精度和效率，在實際應(yīng)用中需要加以考慮和優(yōu)化。5.1.2墨水性質(zhì)墨水的表面張力和粘度等性質(zhì)與異質(zhì)浸潤性表面相互作用，對墨滴行為有著至關(guān)重要的影響。表面張力作為墨水的一項關(guān)鍵性質(zhì)，直接決定了墨滴的形狀和在異質(zhì)浸潤性表面的鋪展行為。根據(jù)表面熱力學(xué)原理，表面張力較低的墨水，其分子間作用力較弱，更容易在表面鋪展。當(dāng)墨水的表面張力從\gamma_1降低到\gamma_2（\gamma_1\gt\gamma_2）時，在異質(zhì)浸潤性表面，墨滴受到的表面張力減小，墨滴的形狀更傾向于扁平化，接觸角減小，更容易在親水區(qū)域鋪展。在具有親水微區(qū)和疏水背景的異質(zhì)浸潤性表面上，表面張力較低的墨水能夠迅速填充親水微區(qū)，形成均勻的墨膜，而表面張力較高的墨水則會在親水微區(qū)形成較大的液滴，難以實現(xiàn)均勻鋪展。墨水的粘度對墨滴行為也有著顯著影響。粘度反映了墨水內(nèi)部的摩擦力，粘度較高的墨水，內(nèi)部摩擦力大，阻礙墨滴的流動，使墨滴的變形和移動變得困難。當(dāng)墨水的粘度從\eta_1增加到\eta_2（\eta_1\lt\eta_2）時，在異質(zhì)浸潤性表面，墨滴在毛細(xì)力的作用下移動時，需要克服更大的內(nèi)部摩擦力，導(dǎo)致移動速度減慢。在微流控芯片中，如果墨水的粘度較高，墨滴在異質(zhì)浸潤性通道中的傳輸速度會明顯降低，甚至可能出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，影響微流控系統(tǒng)的正常運行。墨水的揮發(fā)性也是影響墨滴行為的一個重要因素。揮發(fā)性較強的墨水，在與異質(zhì)浸潤性表面接觸后，墨滴中的溶劑會迅速揮發(fā)，導(dǎo)致墨滴的體積減小，濃度增大。這會改變墨滴的表面張力和粘度，進(jìn)而影響墨滴在表面的行為。當(dāng)揮發(fā)性墨水在異質(zhì)浸潤性表面移動時，由于溶劑的揮發(fā)，墨滴的表面張力會逐漸增大，接觸角也會相應(yīng)增大，墨滴的鋪展能力減弱。而且，墨水的揮發(fā)還可能導(dǎo)致墨滴在表面形成不均勻的濃度分布，影響墨滴的穩(wěn)定性和操控效果。5.1.3外部環(huán)境因素溫度對異質(zhì)浸潤性和墨滴操控穩(wěn)定性有著多方面的影響。溫度的變化會改變墨水的物理性質(zhì)。隨著溫度的升高，墨水的粘度通常會降低，表面張力也會減小。當(dāng)溫度從T_1升高到T_2（T_1\ltT_2）時，墨水的粘度從\eta_1降低到\eta_2（\eta_1\gt\eta_2），表面張力從\gamma_1減小到\gamma_2（\gamma_1\gt\gamma_2）。這使得墨滴在異質(zhì)浸潤性表面的流動性增強，更容易鋪展和移動。在高溫環(huán)境下，表面張力較小的墨水在親水區(qū)域的鋪展速度會加快，能夠更快地填充親水微區(qū)，形成均勻的墨膜。溫度還會影響異質(zhì)浸潤性表面的性質(zhì)。對于一些具有溫度響應(yīng)性的異質(zhì)浸潤性表面，溫度的變化會導(dǎo)致表面的浸潤性發(fā)生改變。一些溫敏性聚合物修飾的異質(zhì)浸潤性表面，在低溫時呈現(xiàn)疏水性，在高溫時轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。這種溫度響應(yīng)性會導(dǎo)致墨滴在表面的行為發(fā)生顯著變化，在不同溫度下，墨滴的接觸角、移動速度和穩(wěn)定性等都會有所不同。濕度作為另一個重要的外部環(huán)境因素，對墨滴操控也有著不可忽視的影響。環(huán)境濕度會影響墨水的干燥速度。在高濕度環(huán)境下，空氣中的水分含量較高，墨水的干燥速度會減慢。這會導(dǎo)致墨滴在異質(zhì)浸潤性表面的停留時間延長，增加了墨滴受到外界干擾的可能性，從而影響墨滴操控的穩(wěn)定性。在高濕度環(huán)境下進(jìn)行噴墨打印時，墨滴在打印基板上干燥緩慢，容易受到氣流等因素的影響而發(fā)生擴散和偏移，降低打印精度。濕度還可能影響異質(zhì)浸潤性表面的性能。對于一些對濕度敏感的表面材料，高濕度環(huán)境可能會導(dǎo)致表面的化學(xué)組成或微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而改變表面的浸潤性。一些親水性的納米材料在高濕度環(huán)境下可能會吸收水分，導(dǎo)致表面的親水性增強，影響墨滴在表面的行為。5.2優(yōu)化策略研究5.2.1表面設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)異質(zhì)浸潤性表面圖案設(shè)計是提升墨滴操控性能的關(guān)鍵策略之一。通過引入更加復(fù)雜和精細(xì)的圖案結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對墨滴行為的更精準(zhǔn)調(diào)控。傳統(tǒng)的異質(zhì)浸潤性表面圖案往往較為簡單，如周期性的圓形或方形圖案，對墨滴的操控能力有限。而新型的圖案設(shè)計可以考慮采用分形結(jié)構(gòu)、分形樹狀圖案等，這些復(fù)雜的圖案具有自相似性和多層次結(jié)構(gòu)，能夠在不同尺度上對墨滴產(chǎn)生作用，從而實現(xiàn)對墨滴的更精細(xì)操控。分形樹狀圖案可以在微觀層面引導(dǎo)墨滴的流動方向，使墨滴按照預(yù)定的路徑移動，同時在宏觀層面實現(xiàn)墨滴的高效聚集和分布。調(diào)控表面能分布也是優(yōu)化異質(zhì)浸潤性表面的重要手段。表面能的精確調(diào)控可以顯著提高墨滴在表面的穩(wěn)定性和操控精度。采用納米技術(shù)在表面構(gòu)建具有特定尺寸和形狀的納米結(jié)構(gòu)，能夠有效地調(diào)控表面能。通過納米壓印技術(shù)在表面制備出納米級的柱狀結(jié)構(gòu)，這些柱狀結(jié)構(gòu)的高度、直徑和間距可以精確控制，從而改變表面的微觀幾何形狀和表面能分布。當(dāng)柱狀結(jié)構(gòu)的高度增加時，表面的粗糙度增大，表面能也會相應(yīng)改變，進(jìn)而影響墨滴與表面的相互作用。還可以利用化學(xué)修飾的方法，在表面引入不同化學(xué)性質(zhì)的基團，改變表面的化學(xué)組成，實現(xiàn)表面能的精準(zhǔn)調(diào)控。在表面通過自組裝單分子層技術(shù)修飾不同鏈長的烷基硫醇，由于烷基硫醇分子的鏈長和化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，會導(dǎo)致表面能的差異，形成具有不同浸潤性的區(qū)域，從而實現(xiàn)對墨滴行為的精確控制。5.2.2墨水配方調(diào)整優(yōu)化墨水配方是實現(xiàn)與異質(zhì)浸潤性表面更好匹配的關(guān)鍵步驟。在調(diào)整墨水配方時，需要綜合考慮多個因素，以實現(xiàn)更精準(zhǔn)的墨滴操控。墨水的表面張力是影響墨滴在異質(zhì)浸潤性表面行為的重要因素之一。通過添加合適的表面活性劑，可以有效地調(diào)整墨水的表面張力。表面活性劑分子具有親水性和疏水性的兩端，能夠在墨水與空氣或墨水與固體表面的界面上定向排列，從而降低表面張力。在水基墨水中添加適量的非離子表面活性劑，如聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯（吐溫系列），可以使墨水的表面張力從\gamma_1降低到\gamma_2（\gamma_1\gt\gamma_2）。較低的表面張力使得墨滴在異質(zhì)浸潤性表面更容易鋪展，能夠更好地填充親水區(qū)域，形成均勻的墨膜，提高墨滴操控的精度。墨水的粘度對墨滴的流動性和穩(wěn)定性也有著顯著影響。調(diào)整墨水的粘度可以通過添加增稠劑或稀釋劑來實現(xiàn)。在需要提高墨水粘度時，可以添加高分子聚合物作為增稠劑，如羧甲基纖維素鈉（CMC）、聚乙烯醇（PVA）等。這些增稠劑能夠在墨水中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加墨水內(nèi)部的摩擦力，從而提高粘度。當(dāng)在墨水中添加適量的CMC時，墨水的粘度從\eta_1增加到\eta_2（\eta_1\lt\eta_2），可以使墨滴在異質(zhì)浸潤性表面的移動速度減慢，增強墨滴的穩(wěn)定性，適用于對墨滴定位精度要求較高的場景。相反，在需要降低墨水粘度時，可以添加稀釋劑，如乙醇、丙酮等有機溶劑。稀釋劑能夠降低墨水的濃度，減小墨水內(nèi)部的分子間作用力，從而降低粘度。在高粘度的墨水中添加適量的乙醇，墨水的粘度降低，流動性增強，能夠快速在異質(zhì)浸潤性表面鋪展，適用于對墨滴鋪展速度要求較高的場景。5.2.3環(huán)境控制措施在實際應(yīng)用中，環(huán)境條件對異質(zhì)浸潤性對墨滴操控的有效性有著重要影響，因此需要采取相應(yīng)的控制措施來保障其性能。溫度控制是環(huán)境控制的重要方面之一。溫度的變化會顯著影響墨水的物理性質(zhì)和異質(zhì)浸潤性表面的性能。為了維持穩(wěn)定的墨滴操控效果，需要將環(huán)境溫度控制在合適的范圍內(nèi)。在噴墨打印過程中，溫度過高會導(dǎo)致墨水的揮發(fā)速度加快，使墨滴的體積減小，濃度增大，從而改變墨滴的表面張力和粘度，影響墨滴的噴射和在打印基板上的鋪展。溫度過低則會使墨水的粘度增大，流動性變差，導(dǎo)致墨滴噴射不暢，甚至出現(xiàn)堵塞噴頭的現(xiàn)象。通過安裝恒溫裝置，如恒溫箱、溫控臺等，將打印環(huán)境的溫度控制在25^{\circ}C\pm2^{\circ}C的范圍內(nèi)，可以有效避免溫度波動對墨滴操控的不利影響，保證打印質(zhì)量的穩(wěn)定性。濕度控制同樣不容忽視。環(huán)境濕度會影響墨水的干燥速度和異質(zhì)浸潤性表面的潤濕性。在高濕度環(huán)境下，空氣中的水分含量較高，墨水的干燥速度會減慢，墨滴在異質(zhì)浸潤性表面的停留時間延長，容易受到外界干擾，導(dǎo)致墨滴發(fā)生擴散和偏移，降低墨滴操控的精度。高濕度還可能導(dǎo)致異質(zhì)浸潤性表面的潤濕性發(fā)生變化，影響墨滴與表面的相互作用。在微流控芯片中，如果環(huán)境濕度過高，芯片表面的親水區(qū)域可能會吸收過多的水分，使表面的親水性增強，導(dǎo)致墨滴在芯片中的傳輸路徑發(fā)生改變。通過使用除濕設(shè)備或加濕設(shè)備，將環(huán)境濕度控制在40\%-60\%的范圍內(nèi)，可以保證墨水的干燥速度和異質(zhì)浸潤性表面的性能穩(wěn)定，提高墨滴操控的準(zhǔn)確性。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)本研