控制液滴移动方向的装置与方法与流程

本发明涉及液滴移动技术领域，具体涉及一种控制液滴移动方向的装置与方法。

背景技术：

目前研究人员采用在固体表面增加化学物质的方法产生接触角梯度表面对液滴移动进行控制，或者采用微结构的方法，产生接触角梯度表面进行液滴移动控制，所涉及的表面均是存在接触角梯度，并且均为控制液滴由静态接触角大的一侧向静态接触角小的一侧移动，即液滴由疏水侧向亲水侧移动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种控制液滴移动方向的装置与方法，该控制液滴移动方向的装置与方法可以控制液滴在固体表面运动，且按照固定方向移动。

其技术方案如下：

控制液滴移动方向的装置，包括突出结构、基底和振动部，振动部与基底的下表面连接，突出结构位于基底的上表面，突出结构沿移动方向变化，突出结构沿竖直方向相同，突出结构开始变化的一端为移动端，突出结构结束变化的一端为结束端；

在移动方向上，靠近移动端的突出结构为第一突出结构，靠近结束端的突出结构为第二突出结构，在竖直方向上，相邻两个第一突出结构的中心距为第一距离，相邻两个第二突出结构的中心距离为第二距离；

在移动方向上，任意两个不同的突出结构，满足以下关系：第一突出结构顶面积与第二突出结构顶面积的比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比。

若突出结构为圆柱形突出结构，在移动方向上，任意两个不同的圆柱形突出结构，满足以下关系：第一圆柱半径与第二圆柱半径的平方比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比。

移动方向与竖直方向垂直。

竖直方向上，相同的突出结构至少具有一列。

移动端至结束端之间的突出结构互相平行。

控制液滴移动方向的方法，包括：液滴从突出结构的上方滴落，或静止于突出结构上，液滴边缘靠近移动端的一侧为第一侧位，靠近结束端的一侧为第二侧位，位于第一侧位的突出结构为第一突出结构，位于第二侧位的突出结构为第二突出结构，竖直方向上，相邻两个第一突出结构的中心距为第一距离，相邻两个第二突出结构的中心距为第二距离；

第一突出结构和第二突出结构满足以下关系：第一突出结构顶面积与第二突出结构顶面积的比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比；

振动部通过基底把振动能传递至液滴，液滴由第一侧位向第二侧位移动。

位于第一侧位的突出结构相同，位于第二侧位的突出结构相同。

第一侧位具有第一移动能垒和第一静态接触角，第二侧位具有第二移动能垒和第二静态接触角，第一移动能垒比第二移动能垒小，第一静态接触角小于第二静态接触角。

还包括以下步骤：

液滴滴落在突出结构上；

液滴与突出结构的顶面接触；

液滴的边缘位于第一侧位和第二侧位；

第一侧位和第二侧位分别具有第一移动能垒和第二移动能垒；

通过振动部把振动能传递至滴液；

第一移动能垒比第二移动能垒小；

振动能首先满足第一移动能垒所需的能量，第一侧位达到移动的条件；

液滴从第一侧位向第二侧位的方向移动。

还包括：

液滴从第一侧位向第二侧位移动，释放液滴从振动部获得的能量；

液滴释放完获得的能量后，液滴停止移动；

液滴仍与突出结构的顶面接触；

液滴的边缘位于新的第一侧位和新的第二侧位；

新的第一侧位和新的第二侧位分别具有新的第一移动能垒和新的第二移动能垒；

通过振动部把振动能传递至滴液；

新的第一移动能垒比新的第二移动能垒小；

振动能首先满足新的第一移动能垒所需的能量，新的第一侧位达到移动的条件；

液滴从新的第一侧位向新的第二侧位的方向移动。

下面对本发明的优点或原理进行说明：

1、基底用于设置突出结构，使突出结构能在基底的上表面固定，突出结构承托液滴，使液滴停留在突出结构的顶面上，而不会滴落在基底的上表面，振动部可以为液滴提供其移动所需的能量，两个不相同的突出结构，按照第一突出结构顶面积与第二突出结构顶面积的比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比的关系排列，使得液滴由第一突出结构往第二突出结构的方向移动，即按照固定的方向移动。

2、由于圆柱形突出结构的顶面积与方形突出结构的顶面积计算方式不一致，所以圆柱形突出结构在排列时，利用圆柱形突出结构的顶面积去推算，可以得到属于圆柱形突出结构的排列关系，该排列关系一样满足液滴由第一突出结构往第二突出结构的方向移动。

3、移动方向与竖直方向垂直，使突出结构的排列整齐有序，可以更好的控制液滴移动的方向。

4、竖直方向上，相同的突出结构至少具有一列，使液滴滴落在突出结构的顶面时，液滴会由靠近移动端的一列往结束端的一列移动。

5、移动端至结束端之间的突出结构互相平行，使突出结构的排列整齐有序，也方便在基底上设置突出结构。

6、由于液滴边缘两侧的突出结构的排列关系为，第一突出结构顶面积与第二突出结构顶面积的比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比；所以第一移动能垒比第二移动能垒小，第一静态接触角小于第二静态接触角。

7、由于振动部把振动能传递至滴液，而第一移动能垒比第二移动能垒小，振动能首先满足第一移动能垒所需的能量，液滴会从第一侧位向第二侧位的方向移动，此时，第一静态接触角是小于第二静态接触角的，所以当突出结构按照上述关系排列时，液滴可以由静态接触角小的一侧向静态接触角大的一侧移动，即液滴由亲水侧向疏水侧移动，在控制液滴移动过程中不用局限于接触角梯度表面。

8、当液滴释放从振动部获得的积聚能量后，液滴停止移动，但此时液滴的边缘会处于新的第一侧位和新的第二侧位，当液滴吸收够新的第一移动能垒后，会继续往新的第二侧位移动，该过程会不断重复，直至液滴离开结束端。

附图说明

图1是本发明实施例控制液滴移动方向的装置的正视图；

图2是本发明实施例一突出结构的示意图；

附图标记说明：

11、第一突出结构，12、第二突出结构，13、基底，14、第一侧位，15、第二侧位，20、液滴。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明。

实施例一

如图1至图2所示，控制液滴20移动方向的装置，包括突出结构、基底13和振动部，振动部与基底13的下表面连接，突出结构位于基底13的上表面，突出结构沿移动方向变化，突出结构沿竖直方向相同，突出结构开始变化的一端为移动端，突出结构结束变化的一端为结束端；

本实施例的突出结构为正方形突出结构，其顶面为正方形；

在移动方向上，靠近移动端的突出结构为第一突出结构11，靠近结束端的突出结构为第二突出结构12，在竖直方向上，相邻两个第一突出结构11的中心距为第一距离，相邻两个第二突出结构12的中心距离为第二距离；

在移动方向上，任意两个不同的突出结构，满足以下关系：第一突出结构11顶面积与第二突出结构12顶面积的比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比。

移动方向与竖直方向垂直，在竖直方向上，相同的突出结构至少具有一列。

移动端至结束端之间的突出结构互相平行。

本实施例中突出结构的设计尺寸参数如下：

单位：微米

控制液滴20移动方向的方法，包括：液滴20从突出结构的上方滴落，或静止于突出结构上，液滴20边缘靠近移动端的一侧为第一侧位14，靠近结束端的一侧为第二侧位15，位于第一侧位14的突出结构相同，该突出结构为第一突出结构11，位于第二侧位15的突出结构相同，该突出结构为第二突出结构12；竖直方向上，相邻两个第一突出结构11的中心距为第一距离，相邻两个第二突出结构12的中心距为第二距离；第一侧位14具有第一移动能垒和第一静态接触角，第二侧位15具有第二移动能垒和第二静态接触角；

第一突出结构11和第二突出结构12满足以下关系：第一突出结构11顶面积与第二突出结构12顶面积的比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比；此时第一移动能垒比第二移动能垒小，第一静态接触角小于第二静态接触角；

振动部通过基底13把振动能传递至液滴20，液滴20沿方向A由第一侧位14向第二侧位15移动。

还包括以下步骤：

液滴20滴落在突出结构上；

液滴20与突出结构的顶面接触；

液滴20的边缘位于第一侧位14和第二侧位15；

第一侧位14和第二侧位15分别具有第一移动能垒和第二移动能垒；

通过振动部把振动能传递至滴液；

第一移动能垒比第二移动能垒小；

振动能首先满足第一移动能垒所需的能量，第一侧位14达到移动的条件；

液滴20从第一侧位14向第二侧位15的方向移动。

还包括：

液滴20从第一侧位14向第二侧位15移动，释放液滴20从振动部获得的能量；

液滴20释放完获得的能量后，液滴20停止移动；

液滴20仍与突出结构的顶面接触；

液滴20的边缘位于新的第一侧位14和新的第二侧位15；

新的第一侧位14和新的第二侧位15分别具有新的第一移动能垒和新的第二移动能垒；

通过振动部把振动能传递至滴液；

新的第一移动能垒比新的第二移动能垒小；

振动能首先满足新的第一移动能垒所需的能量，新的第一侧位14达到移动的条件；

液滴20从新的第一侧位14向新的第二侧位15的方向移动。

本实施例具有如下优点：

1、由于液滴20边缘两侧的突出结构的排列关系为：第一突出结构11顶面积与第二突出结构12顶面积的比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比；可得第一移动能垒比第二移动能垒小，第一静态接触角小于第二静态接触角；当振动部把振动能传递至滴液，而第一移动能垒比第二移动能垒小，振动能首先满足第一移动能垒所需的能量，液滴20会从第一侧位14向第二侧位15的方向移动，此时，第一静态接触角是小于第二静态接触角的，所以当突出结构按照上述关系排列时，液滴20可以由静态接触角小的一侧向静态接触角大的一侧移动，即液滴20由亲水侧向疏水侧移动。

得出突出结构排列关系的推理如下：

移动能的计算公式为：

其中，为移动能，是液滴20移动时的能垒；Δx为在竖直方向上，相邻两个突出结构的中心距；a为突出结构的边长；

为突出结构顶面积占两个相同突出结构中心距的平方的比例，其公式为

γ_lv是液气之间的表面张力，γ_sl是固液之间的表面张力，γ_sv是固气之间的表面张力，γ_lv、γ_sl、γ_sv是根据液体的性质决定，是固定值；θ_Y是根据杨氏方程计算出来的接触角，该杨氏方程为：

γ_sv-γ_sl＝γ_lvcosθ_Y

静态接触角的计算公式为：

其中θ_s为静态接触角。

在第一突出结构11处，可得以下式子：

在第二突出结构12处，可得以下式子：

由式子②和⑤可见和的大小分别决定了静态接触角θ₁和θ₂的大小。

当时，可以得到第一突出结构11和第二突出结构12的静态接触角θ₁＜θ₂，即第一突出结构11相对于第二突出结构12为亲水的位置。

当则变化可得：

此时只需要满足等式：

使得即第一突出结构11的移动能小于第二突出结构12的移动能，液滴20三相线将首先在第一突出结构11处移动，此时可以使得液滴20从第一突出结构11的位置向第二突出结构12的位置移动，即控制由亲水侧向疏水侧移动。

2、移动方向与竖直方向垂直，使突出结构的排列整齐有序，可以更好的控制液滴20移动的方向。

3、竖直方向上，相同的突出结构至少具有一列，使液滴20滴落在突出结构的顶面时，液滴20会由靠近移动端的一列往结束端的一列移动。

4、移动端至结束端之间的突出结构互相平行，使突出结构的排列整齐有序，也方便在基底13上设置突出结构。

5、由表上的数据可计算得到，从序号1到序号15，不断减小，也就是静态接触角不断增大，从序号1到序号15越来越疏水，但从序号1到序号15，液滴20移动的能垒不断增大，因此可以控制液滴20从序号1向序号15的方向移动，也就是从亲水序号向疏水序号移动。

6、当液滴20释放从振动部获得的积聚能量后，液滴20停止移动，但此时液滴20的边缘会处于新的第一侧位14和新的第二侧位15，当液滴20吸收够新的第一移动能垒后，会继续往新的第二侧位15移动，该过程会不断重复，直至液滴20离开结束端。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：

本实施例的突出结构为圆柱形突出结构，其顶面为圆形，在移动方向上，任意两个不同的圆柱形突出结构，满足以下关系：第一圆柱半径与第二圆柱半径的平方比小于第一距离与第二距离的比，且大于第一距离与第二距离的平方比。

本实施例具有如下优点：

由于圆柱形突出结构的顶面积与方形突出结构的顶面积计算方式不一致，所以圆柱形突出结构在排列时，利用圆柱形突出结构的顶面积去推算，可以得到属于圆柱形突出结构的排列关系，该排列关系一样满足液滴20由第一突出结构11往第二突出结构12的方向移动。

推理如下：

对于圆柱形突出结构，的计算公式为：

则在第一圆柱形突出结构处：

在第二圆柱形突出结构处：

当则化简得：

变化可得：

其中d为圆柱半径，此时只需要满足等式：

使得即第一突出结构11的移动能小于第二突出结构12的移动能，液滴20三相线将首先在第一突出结构11处移动，此时可以使得液滴20从第一突出结构11的位置向第二突出结构12的位置移动，即控制由亲水侧向疏水侧移动。

本实施例的其余内容可参照实施例一，此处不再进行赘述。

以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。