用于增加至少一个液滴在介质上滑动的能力的方法与流程

本发明涉及一种促进液体的至少一个液滴在基板上滑动的方法。

背景技术：

在多种领域中，必须消除与液体在表面上的积聚相关的影响。例如，在医疗应用中，可以在无需添加抗凝血剂的情况下有必要防止或至少延迟血液的液滴在表面上的凝结。在光学系统中，水滴在透镜上的冷凝可能妨碍正确观察，因此其必须被清洁，这证明是繁琐的。作为附加的示例，燃烧产物或燃料液滴的冷凝物在某些发动机部件上的积聚可能降低其能量效率。

精确控制液滴在表面上的移动也可能是有用的。

为了移除积聚在表面上的液体的液滴，众所周知的是在液滴上施加机械力，例如借助于机动车的挡风玻璃上的挡风玻璃刮水器。然而，挡风玻璃刮水器限制了驾驶员可用的视野。而且，它使沉积在挡风玻璃表面上的油脂颗粒扩散。此外，必须定期更换挡风玻璃刮水器的配件。此外，在很多应用中，例如在微流体中，由于缺少可用于提供合适的机械装置的空间，机械力不能容易施加在液滴上，而且这可能会损坏表面。

一种已知的移除积聚在表面上的液滴的方法包括使所述表面功能化。例如，申请us2014/0817666和us2014/290732描述了覆盖有多孔体的基板，其具有纳米尺寸或微米尺寸的孔，因此形成功能化表面。当液滴沉积在该功能化表面上时，多孔体浸渍有液体，从而在基板与液滴之间形成润滑层，该润滑层可以容易地在表面上滑动。然而，构成适于表面功能化的基板的材料的数量是有限的。此外，表面功能化可改变润湿性以外的表面性质。例如，对于涉及表面光学性质的应用几乎没有意义。最后，在表面浸透与干燥的若干循环之后，多孔体的孔通过液体中容纳的残留颗粒的累积而逐渐地变得被填充，并且最终不再形成润滑层。然后功能化表面失去促进液滴的滑动的能力。

用于控制表面疏水性的电场的应用也是已知的，特别是在微流体领域。这种技术，由首字母缩略词ewod(装置上的电润湿，electrowettingondevices)所知，包括在两个电极之间施加电位差，以使表面电极化以使其亲水，从而使液滴从表面松散。通过控制极化的位置，然后可以移动液滴。然而，几乎没有材料适用于这种技术，而且这种技术不适用于厚度大的基板。此外，ewod技术需要电极整个表面上的特别精确地定位，在这里需要控制润湿性质。

通过使它们所安置的基板振动来移除液滴也是已知的，特别是通过产生超声表面波以引起液滴在表面上的移动或使液滴蒸发。超声表面波具有的优点是它们可以借助于换能器容易地产生。此外，它们几乎没有衰减，并且可以在远距离上传播。

gb2387107和gb1037787相应地描述了头盔遮护和挡风玻璃，其包括用于产生用于移除雨滴的超声波的换能器。然而，这些文献没有提及关于超声波的特性。

us4,768,256描述了一种用于从挡风玻璃移动雨滴的装置，其中施加在挡风玻璃上的超声波使得雨滴沿与纵向超声波的传播方向相反的方向移动。

在文章“经由调制表面声学的低能量固着液滴致动(lowpowersessiledropletsactuationviamodulatedsurfaceacoustic)”(m.baudoin,p.brunet,o.boumatarande.herth,appl.phys.lett.,vol.100,154102(2012))中，最近已经描述了一种方法，其中将超声表面波施加到其上有水滴的基板上，其中超声表面波的频率和振幅使得液滴振动并且不对称地变形，从而使其沿超声表面波的传播方向移动。

fr1308877和wo2012/095643描述了一种通过超声波蒸发从挡风玻璃移除雨滴的方法。选择振动的振幅和频率，使落在挡风玻璃上的雨滴不会与后者接触，并且一旦它们进入挡风玻璃表面的振动移动区域就会被蒸发。

然而，为了获得液滴的蒸发或移动，如上所述引起基板中的一个振动所需的能量特别高，这限制了它们的实际应用，特别是用于自主装置的开发。特别地，虽然fr1308877和wo2012/095643没有具体规定用于蒸发液滴而产生的波的振幅和频率，但众所周知，蒸发需要的能量比在基板上移动液滴所需的能量更多。

因此，需要一种可以容易地实施的方法，其允许移除附着在基板表面上的液体的液滴，并且可以应用于具有不同形状，尺寸和构成材料的基板。

技术实现要素：

本发明旨在满足这种需要，并且通过提出一种促进至少一个液滴在基板上滑动的方法来实现这一目的，一种方法，其中在基板中产生超声表面波，该超声表面波具有足够振幅，以使液滴根据惯性-毛细管本征振动模式而变形，由此减少了液滴到基板的附着，从而有助于液滴在外力作用下移动，超声表面波的振幅不足以导致液滴的不对称变形达到所述液滴在没有外力的情况下沿超声表面波的传播方向移动的程度。

根据本发明的方法特别值得注意的是，借助于比在上述现有技术的方法中使用的能量更低的能量的超声波，液滴从防止其移动的基板的不规则处释放。然后，通过施加外力、特别是具有低振幅的外力，可以更容易地移动液滴。“液滴的释放”意味着液滴的惯性-毛细管本征振动使得可以释放最初被(特别是化学地和机械地)捕获在表面不规则处的接触线或三线结构(与基板、液滴和例如空气的周围气体同时接触)。

此外，根据本发明的方法特别强大，因为它允许主动控制表面的振动并由此主动控制液滴的振动。因此，可以根据表面状况调整表面的振动。因此，与现有技术的方法相比，根据本发明的方法对基板的污染物和表面缺陷不太敏感。

而且，根据本发明的方法还允许精确控制液滴在基板上的移动。

根据本发明的方法的较高能量效率可归因于以下事实：在现有技术中，在没有接触线的振动的情形下液滴在基板的表面上移动。因此，需要向液滴提供足够的能量以超过所谓的滞后角，从该滞后角开始接触线离开由不规则处形成的捕获部，并成功地移动液滴。因此，需要比根据本发明的方法更多的能量供应来移动液滴。特别地，在根据本发明的方法中所使用的用于促进液滴的滑动的超声表面波的能量可以比在现有技术中使用的用于移动液滴的超声波的能量低至少10倍，或甚至至少30倍。

而且，如将在下文看到的，根据本发明的方法特别通用。值得注意的是，它可以应用于微米或几十米长的薄和厚的各种不同基板，只要它们具有用于超声表面波在其上传播的足够的刚度。而且，根据本发明的方法不限于特定类型的液体。

因此，简化了本发明的实施，并且特别是它不需要对基板表面进行任何复杂的特殊的处理。

令人惊讶的是，并且尚未被解释，已经观察到根据液滴的惯性-毛细管模式的振动在低频率处发生，比超声表面波的基频低，特别是低至少60000倍，或者甚至低100万倍。此外，发现通过用具有相同基频的波对表面施加压力，可以使不同直径的液滴根据它们的固有惯性-毛细管模式振动。因此，具有相同频率的波可以引起尺寸非常不同的液滴的振动。

液滴的“惯性-毛细管本征振动模式”是由液滴的惯性与其表面张力之间的竞争导致的液滴的振荡共振模式。它在(byj.rayleigh,proc.r.soc.london,vol.29,71(1879)andh.lamb,"hydrodynamics",cambridgeuniversitypress,england(1932))中被证明。它通常也称为瑞利-拉姆模式。

附图说明

通过阅读下面给出的其非限制性实施例实例的详细描述并检视附图，可以更好地理解本发明，其中在图1和图4中示意性示出了用于实施根据本发明的方法的各种装置。

在附图中，为了清楚起见，并不总是遵照各种组成元件的实际比例。

图1-图4示出了用于实施根据本发明的方法的装置1a-d，其包括能够传播超声表面波10的基板5、液滴15和用于产生超声表面波的装置20。

具体实施方式

基板

基板5可以由能够传播超声表面波10的任何材料制成。优选地，它由弹性模量高于0.1mpa，例如高于10mpa，或甚至高于100mpa，或甚至高于1000mpa，或甚至高于10000mpa的材料制成。具有这种弹性模量的材料具有特别适合于超声表面波传播的刚度。

基板可以是柔性的，在某种意义上它可以变形，特别是弹性变形，而不会在其自重下破裂。

特别地，它可以选自压电材料、聚合物、特别是热塑性塑料、玻璃、金属和陶瓷。

基板的其上传播纵向表面波的表面可以是平坦的。其也可以是弯曲的，只要表面的曲率半径大于超声表面波的波长。

表面可以是粗糙的，粗糙度ra小于波长。

如例如图1中所示，基板可以特别地是平板的形式，或者可以沿一个方向至少具有曲率，厚度e小于0.01m。板的长度可以大于0.1m，或甚至大于1m，或甚至大于10m。

“基板的厚度”是指基板的沿垂直于超声波在其上传播的表面的方向测量到的最小尺寸。

作为变型，如例如图2中所示，基板可以是块的形式，其厚度例如大于0.05m，或甚至大于0.1m。

基板可以相对于水平面平坦布置。作为变型，它可以相对于水平面以大于10°、或甚至大于20°、或甚至大于45°、或甚至大于70°的角度α倾斜布置。它可以竖直布置。

在一个实施例中，基板由光学透明(特别是在可见光范围内的光)的材料制成。因此，根据本发明的方法特别适用于需要改善用户通过基板观察其环境的视觉舒适度的应用。

光学透明材料特别适合于整体或部分地形成：

车辆嵌装玻璃，特别是挡风玻璃，机动车辆的侧边嵌装玻璃或后窗；

建筑物的窗玻璃；

选自眼镜镜片、野外镜、望远镜、显微镜、照相机镜头、双筒望远镜、后视镜的光学装置的透镜。

对于使用这种基板的应用，根据本发明的方法可以降低与透明材料接触的液滴的表面密度。如上所述，根据本发明的方法从基板释放液滴，并借助于外力移除它们。这可以如现有技术的方法中的通过与表面接触地移动的液滴的内聚力来防止液体积聚的形成，这些液体积聚使基板的光学性质改变。

值得注意的是，根据本发明的方法可以以基板是自清洁的这种方式实施。

可以考虑其他类型的基板。值得注意的是，基板可以是实验室的关于芯片的、特别是用于微流体应用的基板。它可以是内燃机的内壁。因此，根据本发明的方法可以通过有效地移除由燃烧产物的冷凝或由未使用的燃料液滴的沉积而在壁上形成的液滴来提高发动机效率。基板可以是涡轮机、特别是飞机发动机的元件，例如叶片。

它可以是电缆。例如，在基板是高压线的电缆和/或用于供应铁路轨道的变型中，通过促进沉积在电缆上的雨滴的滑动，根据本发明的方法减小了雨引起电缆和支撑它的支柱的振动的影响。此外，在冬季条件下，通过促进沉积在电缆上的雨滴的滑动，根据本发明的方法限制了电缆上霜或冰的形成。因此，降低了电缆损坏甚至破损的风险。

基板可以是飞机的结构的元件，例如机翼、机身或尾部单元。如前一段所述，通过促进液滴在这些元件上的滑动，根据本发明的方法限制了飞机的结构上的霜或冰的形成。

基板可以是医疗植入物的元件。特别地，可以选择超声表面波的振幅和基频，以促进血液的液滴的滑动以防止其凝结，或者生物流体的凝结，以防止包含在生物流体中的生物材料沉积在表面上。

基板还可以选自热交换器的元件、管道装置、通风系统的元件、用于从井中提取油的系统的元件，例如管道。这种基板通常具有难以达到移除沉积在其上(例如通过冷凝)的液体的液滴的表面。因此，根据本发明的方法特别适用于这种类型的基板。

基板可以是用于储存食物的元件，例如冰箱的内壁，或暴露于冷凝液体的壁。例如，在冰箱中，水滴在壁上的冷凝增加了壁与冰箱中的冷空气体积之间的热交换，降低了其效率。

如上所述，根据本发明的方法可以在遇到高温的应用中被实施。优选地，基板的表面温度高于100℃，或甚至高于300℃，或甚至高于500℃。

液滴

在优选的实施例中，基板的表面至少部分地被多个液滴覆盖。

液滴15可以具有的静止尺寸φ小于5mm，特别是在0.1mm和1.5mm之间，例如等于1mm。液滴的“静止尺寸”是指在没有任何纵向表面波施加到基板上的情况下液滴的离表面最远的点与表面之间的距离。在本说明书中，当提及液滴的尺寸时，除非另有说明，否则它是所述液滴处于静止的尺寸。

基板可以覆盖有具有液滴尺寸的多峰分布的多个液滴。然后，优选地，在基板中产生多个超声表面波，其基频和振幅适合于使多个液滴中的每个液滴根据惯性-毛细管本征振动模式而变形。

根据本发明的方法特别通用，因为它可以促进由具有不同性质的液体组成的液滴的滑动。例如，液体的粘度在25℃下可以在0.0001pa.s与2pa.s之间。

优选地，构成液滴的液体选自水，特别是雨水、生物流体(例如动物或人血液)、用于清洁基板的液体、化学溶液、发动机燃料、以及它们的混合物。

在一个实施例中，基板覆盖有由第一液体组成的液滴和由不同于第一液体的第二液体组成的液滴，而不会降低该方法的有效性。

特别地，液体与基板的接触角可以小于180°，特别是小于120°。因此，根据本发明的方法可以促进位于亲水性或疏水性基板上的液滴的滑动。

液体可以包括颗粒，例如胶体颗粒。它可以包含活性成分或药物产品。

当根据惯性-毛细管模式使其振动时，液滴通过低频变形而振动，这主要取决于形成液滴的液体的性质，特别是密度。优选地，根据惯性-毛细管模式的液滴的振动频率在20hz和10khz之间。

超声表面波

超声表面波的基频和振幅优选地根据基板和液体的特性来确定。

特别地，如在(j.campbellandw.jones,ieeetrans.sonicsultrason.,17:71(1970))中描述的本领域技术人员能够确定超声表面波传播到安置在基板上的液体的长度，优选地使得液滴的尺寸与超声表面波的传播长度的比值在0.04和10之间。本领域技术人员能够调节超声表面波的振幅。例如，与由另一种液体形成的液滴相比具有较高表面张力的液滴需要施加更高的振幅。这同样适用于具有较高粘度的液滴。

优选地，调节超声表面波的基频和振幅，使得液滴的振荡振幅与液滴的静止尺寸的比值小于或等于1.4，或者甚至小于或等于1.3，或者甚至小于或等于1.15。液滴的“振荡振幅”是指当表面声波施加到基板时，在液滴的振动周期内测量到的包围液滴的最小球体的最大直径。

可以产生不同类型，并且特别适合于基板的几何形状的超声表面波。

优选地，超声表面波是拉姆波或瑞利波。特别地，当基板的厚度大于超声表面波的波长时，它可以是瑞利波。瑞利波是优选的，因为波的能量的最大比例集中在其传播的表面上，并且可以传递到液滴以使液滴振动。

优选地，超声表面的超声波的基频在1mhz和100mhz之间。在一个实施例中，它可以在5mhz和40mhz之间，并且特别地可以等于20mhz。

此外，根据液滴的尺寸，超声表面波的基频可以以20hz和10khz之间的调制频率进行调制，特别根据惯性-毛细管模式来优化振动状态。优选地，表面波的基频由液滴的惯性-毛细管本征振动模式的固有频率调制。液滴的固有频率fg可以近似地从(j.rayleigh,proc.r.soc.london,vol.29,71(1879)andh.lamb,"hydrodynamics",cambridgeuniversitypress,england(1932))中描述的瑞利-拉姆公式确定：

其中：

n表示振动模式的阶数，例如在四极振动模式的情形下等于2，

σ是表面张力，以n.m^-1表示，

ρ是液体的密度，以kg.m^-3表示，以及

r是液滴的曲率半径，取决于液滴体积和接触角，以m^-3表示。

事实上，上述固有频率fg是针对具有低粘度且悬浮的液滴计算的。对于沉积的液滴而言，必须使用(m.straniandf.sabetta,j.fluidmech.,141:233-247)提出的修改来调整固有频率的计算，并且在粘性液体的情况下，必须考虑上面引用的h.lamb文章中描述的对上述公式的修正。

基频可以借助于具有脉冲轮廓的波来调制，该脉冲轮廓的波的振幅具有值0或1，并且其频率等于调制频率，或者经由所考虑的两个频率的两个谐波信号的乘积。

而且，超声表面波的振幅足以使液滴根据惯性-毛细管本征振动模式而变形。优选地，超声表面波的振幅小于50nm，该振幅与通过激光干涉测量法测量到的基板的超声表面波在其上传播的表面的法向移动相对应。在该方法的特定实施例中，它可以小于5nm，或甚至小于1nm，或甚至小于0.5nm。

由电源供给的各种装置、可选的是放大器18，可用于产生超声表面波。它们可以选自激光器、微型助听器、换能器。优选地，超声表面波借助于连接到基板的、优选地与基板接触的换能器产生。

在一个实施例中，换能器是接触式超声换能器，其特别适用于超声表面波在其上传播的表面的面积大于10^-3m²的应用中。为了优化波从换能器到基板表面的传播，阻抗调节声学指标的透射凝胶可以夹置在声学换能器与表面之间。

在第一变型中，如图1所示，特别是当基板的厚度小于超声表面波的长度和/或当超声表面波是拉姆波时，接触式超声换能器20a优选地相对于超声波在其上传播的表面成直角布置。相同类型的第二换能器可以布置在与超声波在其上传播的表面相对的表面上。

在第二变型中，如图2所示，特别是当基板的厚度大于超声表面波的长度和/或当超声表面波是瑞利波时，接触超声换能器20b例如借助于鞋状物25布置，从而换能器的轴线与超声表面波在其上传播的表面的法线形成小于90°的角度θ，并且其值可以使用斯涅耳-笛卡尔(snell-descartes)定律来确定。

在另一个实施例中，特别是对于其中超声表面波在其上传播的表面的面积小于10^-3m²并且特别是微流体类型的应用的应用而言，换能器20优选地包括交错式梳状物30a，30b，其布置成与基板直接接触或者与布置在基板上的中间层接触，中间层由压电材料制成，特别是选自包括铌酸锂、氮化铝、锆钛酸铅及其混合物的组。图3和图4示出了根据该实施例的装置。在图3中，基板5由压电材料制成，并被换能器覆盖并与换能器接触。作为变型，如图4所示，基板5是非压电材料，并且被压电材料的中间层35覆盖。换能器布置成与中间层接触。

在基板具有表面波的高传播面积(例如大于10^-3m²)的情形下，或者当表面被多个液滴覆盖时，可以借助于换能器阵列产生多个超声表面波。因此，换能器的阵列可以限制由多个液滴中的各个单独液滴引起的屏蔽和波散射的效应。本领域技术人员能够调节换能器阵列的布置，以便产生具有足够振幅的超声表面波，以使液滴根据惯性-毛细管模式而变形。

外力

外力可以促进液滴的滑动，液滴根据固有惯性-毛细管模式振动。

特别地，可以通过小的外力来获得滑动。优选地，当在基板表面上不产生超声波时，外力小于在基板表面上使液滴移动所需的力。

优选地，外力选自重力、惯性力、反作用力、摩擦力、磁力和电力，或者可以由设置流体(例如空气)运动产生，或者可以由液滴与移动体接触产生。优选地，它是重力，特别是在基板是倾斜的变型中。重力具有的优点是它不需要任何特定的装置来将其施加到液滴上。外力当然可以由本段所描述的外力的组合产生。

出于说明的目的，在基板是机动车辆的倾斜挡风玻璃的情况下，外力可以具有重力分量和由车辆运动产生的空气动力学分量。在低速时，空气动力学分量比重力分量弱，因此外力的作用促使液滴向下滑动。然而，当车辆以高速行驶时，空气动力学分量可能占主导地位，然后液滴在外力作用下在挡风玻璃上朝向车辆顶部滑动。

示例

制备诸如图3中所示的装置以实施根据本发明的方法。

基板相对于水平面倾斜角度α，该角度α在10°与40°之间。

基板由128°切割的铌酸锂制成，其上布置有换能器，该换能器包括通过光刻而沉积的叉指电极。这些电极包括位于钛基板上的厚度为20nm的键合涂层和厚度为100nm金的导电层。电极的宽度和它们的间距都等于43.75μm。它们确定换能器的谐振频率fsaw，被计算为等于其中λ是纵波的波长，cs＝3484m/s是瑞利波沿铌酸锂的晶轴z的传播速度。交流电压由ifr2023a发生器施加，并由empower制造的bbm0d3fe1型放大器放大，然后产生在基板表面上传播的瑞利波。根据通过激光干涉测量法的表面的法向移动的测量值和波的频率来计算所产生的波的声能量。

换能器以这样的方式定位在基板上，使得超声表面波沿基板的倾斜方向向上传播。

此外，十八烷基三氯硅烷的单原子层沉积在基板的表面上以使其是疏水性的并控制液滴与基板的接触角。

对于每次测试，在基板上沉积一滴水。

不同的液滴体积v被用于测试：2μl；5μl；10μl；和15μl。

静止时，在不施加超声表面波的情况下，无论基板的倾斜角如何，液滴在表面上都是静止的。

然后连续产生波。然后液滴开始振动并使用配备皮腔和焦距为100mm的微距镜头的photronsa3高速照相机来记录其动态。

然后通过用imagej软件处理由照相机获取的图像来确定接触线的位置，这可以验证液滴是否保持为附着到基板或者液滴是否已经从基板释放。

对于示例中的不同测试，产生具有声学韦伯数weac低于0.5的波。

声学韦伯数weac表征超声表面波使表面变形的能力。它由以下等式表示：

其中：

ρ是液体的密度，以kg.m^-3表示，

as是超声波的振幅，对应于通过激光干涉测量法测量到的波的表面的法向移动，并以m表示，

ωs是超声波的脉冲，以rad.s^-1表示(ωs＝2πfs，其中fs是波的基频)，

是根据液滴的体积v计算的液滴的等效半径，以m^-3表示，

θr是从snell-descartes定律获得的瑞利角，它表征声波在形成液滴的液体中的传播方向，以及

σ是基板和液滴之间的表面张力，以n.m^-1表示。

无论基板的倾斜度如何，对于具有低于0.2的声学韦伯数weac的超声波来说，液滴根据惯性-毛细管模式振动并且释放从其到基板的附着。然后，液滴在重力作用的驱动下沿着基板向下滑动。

为了比较，当韦伯数大于0.2时，由表面波引起的液滴的非对称变形足以使其在波的传播方向上变形。对于小的倾斜角，它沿波的传播方向传播，沿着基板突起。对于更大的角度，它沿相反的方向传播。

对于韦伯数高于1，液滴的非对称变形可能使得液滴破裂。液滴的破裂可以通过液滴的雾化或由于重力和声学力的相反作用而发生。

当然，本发明不受仅是出于说明的目的而提供的示例的限制。