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随着微米纳米技术的迅猛发展,微/纳电子机械系统、微纳生物医学传感器等微型化设备逐渐走向实际应用。但在其迈向实用的路途中,微小尺度下涌现出的一系列表面与界面效应逐渐成为瓶颈难题,其中以固-液-气三相接触线所引入的争议话题尤为突出。以“Huh& Scriven佯谬”为代表的移动接触线处的应力和能量耗散奇异性问题是这一领域突出的关键科学问题。而现实环境下的多场耦合作用更会使这一学术难题复杂化,当然也会经常带来一些新鲜的现象和研究方向。本文在针对固-液界面相互作用的实验中,发现了弹性薄膜对于液滴可控可逆包覆过程,从实验上实现了电弹性毛细现象。本文以此现象作为典型的移动接触线附近固-液相互作用,针对其展开系统的实验研究和理论分析。并以此为契机围绕移动接触线问题在电润湿、液滴蒸发以及液滴内部对流等相关领域展开研究工作。
作为所有实验研究的工作基础和先行条件,本文首先自主设计并开发了“跨尺度界面力学实验研究系统”。系统针对“固体-液体”、“固体-固体”以及“固体-生物”界面分别建立研究模块。系统建设中以学术思想作为建设主线,保证“为新实验而建新设备,建新设备做新实验”的设备建设思想。做到自行开发设备与成熟商用设备的优势互补,各个模块之间相互独立,而又相互兼容。最终形成一套跨尺度界面力学实验研究手段,并在此基础上开展以下三方面研究工作:
1.交、直流电场作用下的电弹性毛细:通过实验首次实现了外加电场控制下弹性薄膜对于液滴的可控、可逆的包覆与释放过程,并根据实验现象将交流电场下的电弹性毛细现象称为“液滴的踢踏舞”。实验中观测到液滴与薄膜体系振动的倍频现象和系统谐振峰值,并通过拉格朗日方程从理论上解释了该现象的动力学机理。最终将电弹性毛细应用于悬臂梁器件的离面驱动作用。
2.多场耦合作用下液滴表面及内部对流:从实验上实时观测了热板表面固着液滴和电极点加热两种加热模式下,液滴表面及内部对流的情况。通过自行开发Micro-PIV系统研究了液滴内部流场信息,通过红外热像仪研究液滴表面温度分布,两项实验均符合理论预期结果。
3.表面张力作用下薄膜的屈曲与开裂:在实验中发现蛋白质薄膜会在液滴表面张力的作用下发生屈曲并演化出干裂裂纹。干裂裂纹会在移动接触线的诱导下有序发生扩展,最终形成辐射状或平行干裂图形。而失去移动接触线的诱导之后,薄膜会以随机形式干裂。实验中通过观测干裂图形Harris角点密度的手段定量的描述了干裂形貌由有序发展为无序的过程。