外场与梯度复合界面协同驱动液体可控输运及其机理研究

The researches of smart responsive materials, especially liquid driving and transport on smart responsive interface, have broad application prospects in directional liquid collection, transfer, separation and trace amounts of liquid test. However, surface adhesion is large on the solid/liquid interface during wettabiltiy gradient driven droplet, results in small droplet movement range, and uncontrolled movement direction and speed. This project intends to design and construct cyclical changes in the composition and structure of the gradient interface, and study the liquid transport on the interface with the external field in the different phase (air, water, oil, etc.) system, then to reveal the relationship between structure design, structure distribution, field distribution and the liquid one-way drive, to achieve continuous liquid transport. Next to build responsive composite interface, structure gradient change composite interface can be changed via adjusting the field, so that rapid response, controllable speed and direction of liquid driving and transport can be realized. Finally, to proposed external field (optical, electrical, magnetic and synergy), chemical composition, structure and interface synergy drive liquid transport technology and mechanism, to further reveal the relationship between static, dynamic wettability and transport of the liquid on different solid/interface and the interface of gradient and external field, and to study its dynamic process, to establish the theory of interface design for controllable liquid transport. Based on this project, the research work is significant to provide theoretical guidance and technical support for research and development for new intelligent interface material and microfluidic devices.

智能响应材料的研究，特别是智能界面对液体的驱动和输运调控，在方向性液体收集、转移、分离和微量测试等领域具有广阔的应用前景。目前主要研究的液/固界面浸润性梯度驱动液滴中，存在表面粘滞性大、液滴运动范围小、且运动方向和速度不可控的问题。本项目拟设计和构筑周期性变化的化学组成和结构梯度界面，在不同相（空气、水、油等）体系中，研究其在外场作用下的液体驱动输运，揭示结构设计、结构分布、外场分布与液体单向驱动的关系，实现连续可控液体输运。构筑外场响应性复合界面，通过外场调控界面梯度变化，实现响应快、且速度和方向可控的液体输运。提出外场（光、电、磁及其协同）与界面材料组分、结构协同驱动液体输运技术和机理，揭示液体在不同界面的动、静态浸润及输运过程与界面梯度和外场之间的关系和本质，研究其动力学过程并建立模型，确立可控液体输运界面设计的理论体系，为研究和开发新型智能界面材料及器件提供理论指导和技术支持。

智能响应材料的研究，特别是智能材料表面的设计构筑对液体的驱动和输运调控研究，在方向性液体驱动、收集、转移、分离和微量测试等领域具有广阔的应用前景。针对目前研究的液/固界面浸润性梯度驱动液滴中，存在表面粘滞性大、液滴运动范围小、且运动方向和速度不可控的问题，将微纳米多尺度结构效应、异质材料界面效应、二元协同相反物性及外场增强调控有效结合，开展了本项目的研究工作。基于梯度非对称微纳米分级结构材料表面流体（液体和气体）的梯度浸润和去浸润动态平衡控制，设计构筑了各向异性V型阵列微结构材料，实现了表面液体可控方向性输运及开关变换；提出了基于超亲水-亲水性的柔性单层多孔膜材料的表面液体定向渗透方法，进一步基于双层非对称多孔膜，实现了水下气泡反浮力单向输运，并揭示了其输运机理，该研究成果有望用于无能耗流体输运和工程除湿材料。在此基础上，构筑了具有电场、磁场等外场响应各向异性浸润特性的梯度结构表面材料，通过化学组成和结构梯度表面的设计，与外场协同调控材料表面液体浸润性、粘附性等，实现了外场诱导梯度微纳米结构表面（平面、线上、锥上）水下油滴和气泡定向输运，揭示了梯度微纳米结构材料表面液体水平单向输运的规律和机理；同时，进一步设计和构筑了梯度复合界面，通过外场调控界面化学组成及微纳米结构梯度变化，实现了梯度材料表面及外场协同控制液体浸润性、粘附性为基础的表面及透过材料面的液体定向输运，揭示了复合界面液体输运的影响因素和规律，有望用于液体显示和微流体器件中液体操纵。结合材料表面和透过表面的不同液体输运方式，实现了混合液体的选择性渗透分离，有望用于连续、高通量、大面积浮油收集。通过本项目的研究，取得了一系列创新性的研究成果，为设计构筑可控液体输运界面材料，发展和应用新型定位控制、可控分离、微反应器等器件提供新的理论基础和技术支持。

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