基于轨道电润湿的液滴操控技术，有望用于新一代数字微流控平台

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“Orbital Electrowetting-on-Dielectric for Droplet Manipulation on Superhydrophobic Surfaces”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图1（a）为OEW的结构示意图，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，10 μL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，10 μL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。

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液滴操控和表征

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液滴操控和性能控制

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。

综上所述，研究人员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。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202314346

审核编辑：刘清