研究人员用来控制液滴运动的温度

麻省理工学院和其他地方的研究人员已经开发出一种以精确控制的方式驱动液滴穿过表面的新方法。该方法可以为高适应性微流体装置、自清洁表面和高效冷凝器开辟新的可能性。

该系统利用温度差异推动水滴或其他流体穿过光滑的表面，通过简单地打开或关闭加热器和冷却器来实现精确控制。麻省理工学院机械工程副教授Kripa Varanasi、巴黎ESPCI教授David Quere、麻省理工学院博士后Nada Bjelobrk、研究生Henri-Louis Girard、Srinivas Subramanyam博士和Hyuk-Min Kwon博士在一篇论文中描述了这一发现。

研究人员报告说，表面温度的差异会导致液滴表面张力的变化。这使得液滴向能量降低的方向移动——即表面张力较高的方向。但这只有在表面经过处理，防止液滴粘在上面的情况下才有效。

表面处理是瓦拉纳西和他的合作者多年来一直在开发的。它构成了一家名为LiquiGlide的初创公司的基础，该公司正在将这项技术商业化，用于容器，比如可以轻松倒出所有内容的番茄酱瓶。

这种处理方法包括在微观尺度上对表面进行纹理处理，然后在其上浸渍一层油，油会填满柱子之间的空间，并被毛细力困在那里。这些被困住的润滑剂使液滴表面光滑。此外，液滴与表面的接触面积相对较大，因此液滴之间的温差较大，推进力也较大。相比之下，液滴在荷叶启发的超疏水表面上不能移动，因为它们的接触面积太小，温度梯度不足以移动液滴。

这个团队正在开发的基本效应，被称为热毛细管运动，之前已经被其他研究人员证明过，但在那些情况下，这个过程需要非常大的温差，即使这样也只产生非常缓慢的运动，这使得它不适合大多数实际应用。这种表面光滑的新系统需要的温度变化要小得多，并且显著加快了液滴的运动速度，使它们的速度提高了10倍。

瓦拉纳西说:“长期以来，人们一直试图利用热毛细作用推动表面上的水滴，但直到现在，水滴才能以可观的速度移动，”这对许多应用来说都是特别有用的。

其潜在的物理原理类似于在酒杯中看到的“眼泪”，由酒精蒸发引起的表面张力差异会导致葡萄酒液滴沿着玻璃杯的侧面向上移动。在这种情况下，热毛细运动也是由液滴各部分表面张力的差异引起的。

这一发现可能用于制造新型微流体装置，例如用于生物医学或化学测试。这些装置不使用固定的物理屏障来引导液体流动，而是使用加热和冷却元件阵列，通过简单地调整表面上的区域温差，迅速随意地改变流动的结构。

“你可以移动液滴，混合它们，将它们移动到反应地点，”吉拉德说，因此创造了一个高度灵活和可调节的“芯片实验室”。该系统还可以精确控制移动液滴的速度。他说:“你可以在两个维度上设计加热器，让液滴沿着迷宫走。”

研究人员说，这一过程也可能在飞机机翼和其他表面除冰，或开发强大的冷凝器等领域得到应用。例如，在发电厂中，液滴从冷凝表面脱落的速度越快，电厂的运行效率就越高。

这一概念也可能应用于太空研究，在微重力环境下，依靠重力移动液体的普通实验室设备将无法工作。

瓦拉纳西说，最初，这项研究是“好奇心驱使的”，它始于一次会议上的讨论，他和奎尔在一张餐巾纸上勾画了这个概念。他说，现在，通过允许进行一系列精确控制的实验，这个系统“也使我们能够比以往任何时候都更好地真正理解热毛细现象的物理性质”。

麻省理工学院(MIT)

www.mit.edu

- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程过程传感器和执行器的故事．

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