大连理工姜东岳、香港理工王钻开AM：轨道电润湿-让液滴坐上“高铁”！

电润湿（electrowetting）现象于1875年由法国物理学家Lippmann提出，作为现有最成熟的液滴电操控方法，已成功应用于数字微流控、传热强化、淡水收集等领域。然而现有电润湿技术受限于液滴驱动速度慢、电极图案复杂、粘性试剂易污染等问题。

大连理工大学姜东岳团队联合香港理工大学王钻开教授，在超疏水表面电润湿实验中发现了轨道电润湿（Orbital-electrowetting, OEW）现象，这一现象与传统电润湿的跨电极运动不同，其运动模式为沿着电极间隙运动。通过实验、数值模拟和理论分析揭示了这一新现象背后的物理机制，并提出了基于轨道电润湿的高运动速度、电极结构简单、抗污染的液滴操控新方法。相较于传统电润湿液滴操控（CEW），速度得到5倍提高（CEW: ~40 mm/s, OEW: ~210 mm/s）。此外，OEW液滴操控展现出多功能，高转向性，耐高盐，表面无残留，高稳定性等特点。“轨道”的引入大大降低了电路的复杂性和控制难度，为数字微流控平台腾出了更多空间，因此在实际应用中表现出极大的潜力。该研究以题为“Orbital Electrowetting-on-Dielectric for Droplet Manipulation on Superhydrophobic Surfaces”的论文发表在《Advanced Materials》上。

图1 (a) 为OEW的结构示意，包含基底，氧化铟锡透明电极，SU-8介电层以及超疏水涂层。如图1 (b) 所示，当施加低频交流电压(<70 Hz, 10μL液滴) 时，液滴处于不稳定状态，会发生跨电极运动；而当施加高频交流电压(>70 Hz, 10μL液滴) 时，液滴会沿“轨道”高速运动。对于传统电润湿液滴驱动，需要按次序给电极阵列通电，才能实现液滴的连续运动，这需要复杂的电路设计和大量的开关控制。而OEW大量简化了控制电路和电极数量，这为基于电润湿的数字微流控技术开辟了新的思路，如图1 (e, f) 所示。

图1. OEW的结构和液滴输运。

该项工作实现了超疏水表面的可逆电润湿，即断开电压后，液滴的接触角能恢复到施加电压前的大小。表面的低粘附是实现电润湿液滴驱动的前提，否则会因为“钉扎效应”的发生而导致失败。如图2所示，这项工作实现了液滴爬升，且即使10%质量浓度的盐水，其驱动速度也能维持在~210 mm/s以上。此外，在对表面进行5000次液滴撞击，72小时的水下浸泡后，表面仍然能够有很好的超疏水性能 (水接触角>154°)，在进行连续超过1000次液滴输运后，仍然能保持良好的性能，稳定运行。

图2. OEW液滴操纵和表征。

文中进一步讨论了实现OEW液滴操控的条件，绘制了如图3所示的相图。对于一个确定的表面，通过改变电极的梯度，调节电润湿数的大小，可以实现对液滴速度的调控。

图3. OEW液滴操纵和性能控制。

最后，文中演示了基于OEW的各项应用。通过对轨道的设计，可以实现液滴的连续拐弯 (10个连续90°弯道)，如视频1所示。此外，液滴的混合，输运，停止后再启动均能很好的稳定实现，也能在表面上进行一些简单的化学反应。

小结：研究者提出了一种新的基于电润湿的液滴操控方案，仅需要一对电极，就能实现液滴的高速远距离输运； 这突破了传统电润湿驱动需要大量电极和控制电路的技术瓶颈。 该技术有望为新一代的数字微流控平台搭建提供新的思路。

全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202314346

来源：高分子科学前沿

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