基于光学相干层析成像技术的OUZO液滴实验研究

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随着液滴蒸发理论广泛应用于生物医学、喷墨打印、纳米材料制备等技术领域,国内外诸多学者开始深入研究液滴蒸发的特性。研究液滴蒸发过程中介质的流动特性,有着重大的科学意义和应用价值。本研究利用Thorlabs的光学相干层析成像技术(英文:Optical Coherence Tomography,简称OCT)扫描系统及新的实验方法,为液滴在蒸发过程中发生的流动、流向、流态特性提供一种新的实验理论。经本实验结果论证,基于OCT采集OUZO(以水和乙醇加入一种茴香油为研究对象,简称OUZO液滴)液滴的蒸发图像是非常理想的。通过实验数据分析和实验数值模拟的方法对三元混合OUZO液滴(初始组成成分为37.249%的水,61.01%的乙醇和1.702%的茴香油)的蒸发特性进行研究,探索三元混合液滴的蒸发机理和蒸发规律,为研究其他多组分液滴奠定基础。本实验通过对搭建的光学相干层析成像技术扫描系统进行升级优化后,观测OUZO液滴在自然环境中蒸发时所发生的一系列反应。该系统运用Thorlabs设计的光谱域傅里叶域OCT获取蒸发液滴在其寿命期间所观测到的垂直横截面图像。这是唯一一个可以用于这项研究工作的OCT系统,该系统可以达到足够小的采集时间。该OCT系统包含一个基础装置、一个扫描系统和一个扫描透镜套件,组合成一个完整的预配置OCT系统。该系统预装在附带着64位软件的计算机上,可实时显示处理2D和3D OCT数据,成像深度达3.5 mm,在空气中轴向分辨率达5.5μm,中心波长为1300 nm。在该系统下,可达到如下实验结果:(1)使用仪器取该液滴大小为0.5μL的OUZO液滴滴到Hydrophobic玻璃片基底上,通过光学相干层析成像技术可扫描微米级甚至亚微米级的分辨率图像,利用该技术来采集微小OUZO液滴在不同时间段内的蒸发变化图像。在OCT系统下可清晰的观测到OUZO液滴内部分子的流动、流向、流态性质。实验结果表明,油微粒分子首先在液滴边缘成核,并随着乙醇-水滴的蒸发,液滴逐渐缩小,直到在Hydrophobic玻璃片上留下最后一滴油微滴。(2)为了更好的观测OUZO液滴在蒸发过程中的变化图像,本研究还同时配置外部CCD相机拍摄0.5μL OUZO液滴的蒸发缩小视频。通过OCT结合CCD相机拍摄到的OUZO液滴蒸发全过程生命阶段的变化获取实验数据。(3)最后应用MATLAB和Imagej软件对液滴在蒸发过程中发生的四个生命阶段和在第二阶段所发生的Marangoni对流现象进行实验结果分析和数值模拟。实验研究结果表明,液滴的接触角、接触半径、体积随着时间的递增不断在发生变化,直到第四阶段液滴在玻璃片基底上只留下微小的非挥发性的茴香油,因其油很少具有挥发性,故最终油微滴的接触角、接触半径、体积不再发生变化。
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