表面活性剂介导的油中液滴电润湿作用用于液态形状操控

《Droplet》：Surfactant-mediated electro-dewetting of droplets in oil for liquid-shape manipulation

研究了一种基于离子表面活性剂的油中电去湿ting新机制，通过测试不同液体（如DMSO）、表面材料（硅、ITO等）和表面活性剂（CTAB、DTAB等），发现油中电去湿ting能实现高达100°的接触角变化和低至4V的驱动电压，显著优于传统电润湿技术。并成功开发了两类原型器件：一类用于反射显示和光学快门，另一类用于液态透镜，展示了其在光学应用中的潜力。

　　液态物质在微观尺度上的操控能力为微流体技术的发展提供了广阔的可能性。作为一种高效的液态形状调控机制，电润湿（Electrowetting-on-dielectric, EWOD）因其简单的电气驱动方式而被广泛应用于需要可逆液态形状变化的微流体系统中。然而，EWOD技术在实际应用中存在一些局限性，例如需要较高的操作电压（通常超过80伏），这可能导致设备可靠性问题，并且由于需要使用绝缘层和疏水性顶层涂层，其制造成本较高。为了克服这些限制，近年来研究人员探索了一种新的液态形状调控机制——由离子型表面活性剂介导的电脱湿（electro-dewetting）。与EWOD不同，电脱湿可以在空气中实现液态形状的调控，同时使用更低的电压（仅需3-5伏）和更简单的芯片制造流程，从而展现出更高的可靠性与更低的制造成本。然而，由于其接触角变化范围有限，电脱湿在液态形状调控方面的研究仍处于初步阶段。

本研究聚焦于电脱湿在油性介质中的应用，旨在拓展其在光学领域的潜力。我们测试了多种液态物质和亲水性基底材料，并对离子型表面活性剂的种类与浓度进行了系统分析。通过实验，我们发现当使用二甲基亚砜（DMSO）作为液态物质，并将其置于十六烷（hexadecane）这种低粘度、低毒性的油性介质中时，电脱湿可以诱导高达100度的接触角变化，仅需4伏的电压即可实现。这一结果表明，电脱湿在油性介质中的应用不仅能够实现显著的液态形状调控，而且具备更优的电气性能与稳定性。此外，我们还设计并组装了两种概念验证设备，用于探索电脱湿在光学应用中的潜力，包括反射显示和液态透镜。

电脱湿的基本原理是基于离子型表面活性剂在电场作用下的迁移行为。当液态物质中含有带电的表面活性剂分子，并放置在导电基底上时，施加电压可以促使表面活性剂分子向特定界面迁移。这些表面活性剂分子通常具有亲水性头部和疏水性尾部，它们在电场作用下会聚集在液态-油性界面附近，从而改变该界面的表面张力。根据杨氏方程，液态与基底之间的接触角会因此发生变化。当表面活性剂分子吸附在基底表面时，它们的疏水性尾部会增加基底的疏水性，导致液态在基底上发生脱湿；而当表面活性剂分子从基底表面脱离时，基底的亲水性会恢复，促使液态重新湿润基底表面。这种通过表面活性剂迁移来实现的液态形状调控机制，与传统的电润湿机制形成了鲜明对比，后者依赖于电场对液态表面的直接作用。

在本研究中，我们选择了多种液态物质，包括常用的去离子水（DI water）、乙二醇（EG）、二甲基亚砜（DMSO）、丙二醇（PG）、聚乙二醇（PEG）以及甘油，分别测试了它们在油性介质中的电脱湿性能。我们发现，DMSO在油性介质中表现出最优异的电脱湿效果，其接触角变化显著高于其他液体。这可能与DMSO分子本身的高极性及其与表面活性剂之间的强相互作用有关。同时，我们还测试了不同种类的离子型表面活性剂，如十二烷基三甲基氯化铵（DTAB）、十六烷基三甲基氯化铵（CTAB）、壬基三甲基氯化铵（HTAB）以及癸基三甲基氯化铵（DTMAB），以评估它们对电脱湿效果的影响。实验结果显示，具有更长疏水性尾部的表面活性剂在油性介质中能够诱导更大的接触角变化，而表面活性剂的浓度也对电脱湿效果产生重要影响。值得注意的是，与水性介质中的情况不同，这些表面活性剂在DMSO中并不形成胶束，因此其浓度直接影响了电脱湿的性能。

在电脱湿的实验过程中，我们还考虑了基底材料的选择。由于电脱湿依赖于表面活性剂在基底表面的迁移与吸附，因此基底材料的表面特性对电脱湿效果至关重要。我们选择了几种常见的微流体基底材料，包括裸硅、二氧化硅、氮化硅、铂金、氧化铟锡（ITO）玻璃以及金等，以评估它们对电脱湿性能的影响。实验结果表明，这些基底材料均能实现显著的接触角变化，其中裸硅和二氧化硅表现尤为突出。此外，我们还发现，使用较薄的涂层材料（如50纳米厚度的二氧化硅或100纳米厚度的铂金）可以有效降低电流对液态形状的影响，同时保持良好的电脱湿效果。这一发现为电脱湿设备的优化设计提供了重要依据。

为了进一步验证电脱湿在油性介质中的可行性，我们设计并组装了两种概念验证设备。第一种设备用于测试电脱湿在反射显示和光学遮光器中的应用潜力。该设备由两个侧电极和一个底部电极组成，填充了十六烷作为油性介质。通过施加正负电压，表面活性剂分子在侧电极和底部电极之间迁移，从而改变液态在基底表面的分布状态。当正电压施加在侧电极时，表面活性剂分子会从侧电极迁移到底部电极，使侧电极更加亲水，而底部电极则更加疏水，导致液态在底部电极上发生脱湿，从而暴露基底表面。相反，当负电压施加在侧电极时，表面活性剂分子会从底部电极迁移到侧电极，使侧电极更加疏水，而底部电极则更加亲水，促使液态在侧电极上脱湿，并覆盖底部电极。这种液态在基底表面的动态分布变化，可以用于调控光的反射或透射，从而实现反射显示或光学遮光器的功能。

第二种设备则用于测试电脱湿在液态透镜中的应用。通过调节侧电极与底部电极之间的电压，液态-油性界面的曲率可以被改变。当正电压施加在侧电极时，表面活性剂分子会从侧电极迁移到底部电极，使侧电极更加亲水，从而促使液态在侧电极上湿润，形成凹面；而当负电压施加在侧电极时，表面活性剂分子会从底部电极迁移到侧电极，使侧电极更加疏水，促使液态在侧电极上脱湿，形成凸面。这种曲率变化能够有效地改变液态-油性界面的光学特性，从而实现透镜功能的动态调控。此外，我们还发现，液态在凸面状态下比凹面状态下更接近基底，这可能是因为液态在脱湿过程中会向基底边缘扩散，导致其在基底上的分布发生变化。这一现象在未来的微流体设备设计中可以通过采用微机电系统（MEMS）技术进行优化，以减少液态的泄漏并提高设备的稳定性。

通过上述研究，我们发现电脱湿在油性介质中的应用具有显著的优势。首先，它不需要传统的绝缘层和疏水性涂层，从而降低了制造成本并提高了设备的可靠性。其次，其操作电压远低于EWOD，仅需3-5伏即可实现显著的液态形状变化。第三，电脱湿可以兼容多种液态物质和基底材料，为设备设计提供了更大的灵活性。最后，由于其能够诱导较大的接触角变化（最高可达100度），电脱湿在油性介质中展现出更高的液态操控能力，有望在光学、传感、微流体控制等领域发挥重要作用。

本研究的成果为未来电脱湿设备的设计与应用提供了重要的理论支持与实验依据。通过系统的实验分析，我们不仅验证了电脱湿在油性介质中的可行性，还探索了其在光学应用中的潜在价值。这种基于离子型表面活性剂的电脱湿机制，结合液态-油性介质的独特性质，为开发更加高效、可靠和低成本的微流体设备提供了新的思路。此外，研究还表明，通过优化表面活性剂的种类、浓度以及基底材料的选择，可以进一步提升电脱湿的性能，使其在更广泛的场景中发挥作用。未来，随着微机电系统（MEMS）和纳米制造技术的进步，电脱湿在油性介质中的应用将有望实现更精确的液态形状调控，并推动其在光学、生物医学、环境监测等领域的广泛应用。