光致表面张力梯度驱动的液体传输行为研究.docx

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光致表面张力梯度驱动的液体传输行为研究

一、毕业设计（论文）研究工作主要进展情况

（请用宋体小四字体，单倍行距，首行缩写两字符）

1.1开题报告预计研究内容

预计研究内容

a）利用激光对液滴液-气界面的曲率进行调控，实现液体透镜的焦距发生改变。

b）

c）建立理论模型，对实验现象中出现的液体输运动力学行为进行定量的描述。

d）

e）研究双液滴在流动过程中出现的分叉现象，并建立相应的理论模型。

f）

根据我们的研究内容，我们进行了如下的日程安排

1-2周：

学习表面现象、光敏性表面活性剂、微流体等基础理论知识，熟悉相关的实验仪器与实验手段。

2-8周：

搭建光路控制系统与液滴实验操作平台，完成液体在受限空间中的单向输运、以及可调控的双向输运，从而实现液滴体积以及液-气界面曲率的变化，进行液-气界面折射行为的光学测试。

8-14周：

建立表面张力梯度、输运速度之间的定量关系，分析可调控输运过程中的稳定性和分叉行为。

建立起较为完整的理论，准确描述整个控制、输运过程中液滴的行为。

15-16周：

整理报告数据，并撰写论文。

1.2开题报告研究内容完成情况

任务1学习、测定光表面活性剂的光学性质

通过查阅论文，了解我们采用的光敏性表面活性剂的基本属性，包括表面活性剂在不同的光照条件下，光学异构之间的浓度变化、溶液的临界胶束浓度、不同光学异构的表面吸附属性。

并详细学习了光敏性表面活性剂对液—气表面属性的影响，包括不同光照条件下，动态表面压力、动态表面张力的变化，以及动态表面张力的测定方法[1][2][3][4]。

图1光敏性表面活性剂光学异构示意图

对于光敏性表面活性剂，其分子会发生光致异构化，即在光激发下分子在同质异构间发生的结构变化。

在不同的光照条件下，其液-气界面会呈现中不同的物理化学性质。

这是因为进行光照时，具有不同分子构型的分子浓度比例的发生了变化。

但是，不同波长的光源产生的光会有所差别，因此很难满足光照条件的完全一致。

而且，不同的光敏性表面活性剂，由于提纯方式等一些因素的影响，其光学属性存在一定的差异。

在我们的研究中，使用的光敏性表面活性是C4AzoOC4E2[x]，如图1所示，当经受波长为325nm的紫光激发时，分子构形从“顺式”变为“反式”，表面张力升高；反之，当经受波长为442nm的蓝光激发时，分子构形从“顺式”变为“反式”，表面张力升高。

在我们的研究中，利用这样的原理实现对表面张力大小的调控。

首先，我们对我们使用的表面活性剂的吸光度（Absorbance）进行了光谱分析，用来测定当表面活性剂溶液接受光照时，两种不同光学异构的响应。

测定的结果如图2所示：

图2表面活性剂在不同光照情况下的吸光度实验测量

从图2可以看出，我们给了波长在xxxnm到xxxnm之间的吸光度实验测量。

我们表面活性剂的吸光度在325nm处的峰值有所下降，而在420nm到460nm处的吸收率有所上升。

这说明经过照射之后，溶液中反式异构（trans）的浓度有所下降，顺式异构（cis）的浓度有所上升。

而随着顺式异构与反式异构浓度比例的变化，溶液界面上的表面张力也将发生变化。

任务2动态表面张力（DynamicSurfaceTension，DST）的测定

由于在光照情况下，表面活性剂的表面张力发生变化，是时间的函数，因此我们需要定量的知道动态表面张力。

相对于静态或准静态表面张力的测定，动态表面张力测定有一定的挑战性。

为此，人们发展出了众多的方法去测定溶液的动态表面张力[5]，如图3所示。

图3动态表面张力测定的方法[5]

我们选择悬滴法（PendantDrop）来进行测定，实验装置如图4所示。

通过CCD相机，捕捉不同时刻悬滴的界面形状（如图5所示），再对每个时刻捕捉到的图像进行处理，利用Candy算子可以获得悬滴气-液界面的轮廓（如图6所示）。

图4测定DST实验装置示意图

图5悬滴照片

图6Candy算子捕捉边界

通过Young-Laplace方程，我们可以得到液滴形状的控制方程。

考虑到悬滴呈轴对称形状，最终得到控制液滴形状的方程，即Bashforth‐Adams方程[6]如下式所示：

上式中，Φ为液滴轮廓线切线方向与x轴的夹角，γ为表面张力，ρ为液体的相对密度，R0为悬滴最低处的曲率半径，x、z为描述界面曲线的坐标。

将方程无量纲化，可以得到

其中，X,Z,S为无量纲化后的坐标，β为形状因子。

利用四阶龙格库塔方法求解Bashforth‐Adams方程，可以得到不同形状因子β对应的数值解。

通过比较实验数据与数值解，找到与实验符合最好的一条曲线，从而得到我们所需要的液滴表面张力γ。

在80年代以前，由于计算能力与图像拍摄技术的限制，对于曲线的比较是采用选择平面法[7][8]，即通过选取两条曲线上的若干个特征点来进行比较。

现在，随着相关技术的发展，可以采用全轮廓拟合的方法[9]，通过建立误差评价函数，将数值解与液滴轮廓进行拟合，得到更加精确的结果，如图7所示。

图7悬滴轮廓与解析解的拟合结果

通过对每个时刻悬滴轮廓的拟合，可以得到不同时刻溶液界面的表面张力，即动态表面张力，如图8所示，时间t=0s时刻开始施加光照。

图8动态表面张力测定结果

任务3稳态转换的理论模型

对于液体在流动过程中的分叉行为，前人已经有了一些研究[10]。

我们在前人的基础上，对液滴稳态之间的转化进行讨论。

图9液-气界面示意图

图10双液滴分叉示意图

当液-气界面尺寸比较小时（毫米尺度），相对于毛细力的作用，重力作用对界面的影响可以忽略不计。

若忽略重力的影响，对于具有特定构形的静态液滴，则液体内部的压强为常数。

另外，我们暂时不考虑光照情况下表面张力发生的变化，认为表面张力系数γ为常数。

根据Young-Laplace方程

其中，p为液体内部的压强，pb为大气压，R为界面每一点的曲率半径。

若液体内部的压强为常数，那么界面每一点的平均曲率H则为常数。

如果边界条件是像图9那样，求解Young-Laplace后，可以得到液-气界面为球面的一部分。

根据图9的几何关系，我们可以建立球面半径R，球冠高度h，球冠体积V，球馆面积S之间的关系。

将变量球面半径R与球冠面积S带入Young-Laplace方程与能量方程，可以表示出液滴内部压力与界面的总能量。

我们可以将液滴的体积V作为自变量，用V来表示液滴内部的压强与界面总能量（以θ作为参数的参数方程）。

对于一个双液滴系统，其在转换的过程中，两侧液滴的体积之和为定值（初始注入液体的体积），可以将一侧（右侧）液滴体积作为自变量，如图10所示，使用得到的公式，得到双液滴系统的内部压强和系统总能量与一侧液体体积的关系。

为了方便描述，引入特征长度，进行无量纲化。

图11系统总能量E1+E2

图12压强梯度p1-p2

从图11中我们可以看出，在未经过光照的时候，系统会停留在总能量最低的点（曲线上两个极小值对应的点），两侧液滴内部的压强梯度为0（图12），不会发生液体的输运。

进行光照之后，根据我们之前测定的数据，溶液的表面张力会从30mN/m变为41mN/m，之后系统的总能量与两侧的压强会发生变化，从图12可以看出，1侧的压强大于2侧的压强，液体从1侧向2侧输运，过程中系统的总能量也一直在减小，直到达到新的稳态，即压强梯度为0或是能量的最低的点，完成稳态间的转换。

参考文献

[1].ShangT,SmithKA,HattonTA.Photoresponsivesurfactantsexhibitingunusuallylarge,reversiblesurfacetensionchangesundervaryingilluminationconditions[J].Langmuir,2003,19（26）:

10764-10773.

[2].

[3].CicciarelliBA,EliaJA,HattonTA,etal.Temperaturedependenceofaggregationanddynamicsurfacetensioninaphotoresponsivesurfactantsystem[J].Langmuir,2007,23（16）:

8323-8330.

[4].

[5].CicciarelliBA,HattonTA,SmithKA.Dynamicsurfacetensionbehaviorinaphotoresponsivesurfactantsystem[J].Langmuir,2007,23（9）:

4753-4764.

[6].

[7].ChevallierE,MamaneA,StoneHA,etal.Pumping-outphoto-surfactantsfromanair–waterinterfaceusinglight[J].SoftMatter,2011,7（17）:

7866-7874.

[8].

[9].LyonsCJ,ElbingE,WilsonIR.Ageneralselected-planemethodformeasuringinterfacialtensionsfromtheshapesofpendentandsessileinterfaces[J].JournaloftheChemicalSociety,FaradayTransactions2:

MolecularandChemicalPhysics,1985,81（3）:

327-339.

[10].

[11].AndreasJM,HauserEA,TuckerWB.Boundarytensionbypendantdrops1[J].TheJournalofPhysicalChemistry,1938,42（8）:

1001-1019.

[12].

[13].StaufferCE.Themeasurementofsurfacetensionbythependantdroptechnique[J].Thejournalofphysicalchemistry,1965,69（6）:

1933-1938.

[14].

[15].RoeRJ,BacchettaVL,WongPMG.Refinementofpendentdropmethodforthemeasurementofsurfacetensionofviscousliquid[J].TheJournalofPhysicalChemistry,1967,71（13）:

4190-4193.

[16].

[17].艾芳洋,毕胜山,吴江涛.全轮廓拟合悬滴法表面张力实验系统[J].物理实验,2015,35（5）:

1-6.

[18].

[19].BarzDPJ,SteenPH.Adynamicmodeloftheelectroosmoticdropletswitch[J].PhysicsofFluids,2013,25（9）:

097104.

二、下一步毕业设计（论文）工作进度安排和预期成果

（请用宋体小四字体，单倍行距，首行缩写两字符）

工作进度安排

9-11周完成双液滴转换的实验验证，尝试制作可变焦距的液液体透镜。

12-13周整理数据并撰写论文。

预计取得的成果

1.利用激光对液滴液-气界面的曲率进行调控，实现液体透镜的焦距发生改变。

2.

3.完成对双液滴转换的实验验证。

4.

（第一、二项合计不少于2000字）

三、存在问题及可能影响毕业设计的情况说明

存在的问题

双液滴转换实验中，UVLamp所产生的光不容易调控，要精确控制照射有一定的困难。

在后续的研究过程中会对光斑进行进一步的优化。

实验过程中，液滴的蒸发可能会影响最后的实验结果。

后续会进一步定量的研究蒸发对液滴体积变化的影响。

目前在转换模型中没有考虑液体流动的影响，以及液滴大小随着时间的变化关系，后续会做出进一步的研究分析。

四、导师意见

导师签字：

年月日

五、评审小组意见

评审小组意见：

组长签字：

年月日

注：

中期报告按本表格式内容填写，篇幅根据实际情况确定。