基于润湿性图案化表面的液滴操控设计与运动仿真研究及其在新型均热板中的应用

本研究针对润湿性图案化表面(Wettability-patterned surface)在液滴操控技术中的应用瓶颈，通过设计径向树状、网格状等五种二维图案及三维均热板模型，首次系统模拟了不同路径下的液滴运动规律。结果表明，所开发的网格状冷凝器/径向树状蒸发器组合的均热板模型可替代传统吸液芯，显著加速工质循环，为微流控及热管理领域提供了创新解决方案。

　　

在微流控和热管理领域，液滴的精准操控始终是核心技术挑战。传统机械泵送系统存在体积大、能耗高等缺陷，而润湿性图案化表面(Wettability-patterned surface)通过表面能梯度可实现无动力液滴定向运输，成为研究热点。然而现有研究多聚焦实验验证，缺乏系统的运动仿真指导设计，更鲜见针对三维应用场景的拓展研究。

为突破这些局限，研究人员开展了润湿性图案化表面的创新设计与液滴运动仿真研究。首先构建径向树状基础图案，通过计算流体力学(CFD)模拟不同位置的液滴动力学行为；继而衍生出网格状、单向树状、径向弧状及龙纹四种楔形图案，探究复杂路径下的液滴导向机制；最终创新性地将二维图案拓展至三维均热板(Vapor chamber)模型，其中冷凝器采用网格图案(Mesh pattern)、蒸发器采用径向树状图案(Radial tree-shape pattern)，模拟工质液滴的相变循环过程。关键技术包括：1）基于表面自由能理论的图案化设计；2）多物理场耦合的液滴运动仿真；3）三维均热板模型的跨尺度模拟。

研究结果显示：在径向树状图案表面，液滴呈现由枝干向根部的定向迁移特性，迁移速度与枝干夹角呈负相关；四种衍生图案中，网格图案表现出最优的多向传输能力，而龙纹图案可实现液滴的螺旋运动。最具突破性的是三维均热板模型的仿真表明：与传统吸液芯结构相比，图案化表面使工质循环速度提升约40%，且能维持稳定的相变传热效率。

该研究的重要意义在于：首次建立了润湿性图案从二维设计到三维应用的完整研究方法学，证实了无吸液芯均热板的技术可行性。网格/树状图案的组合设计为微型化热管理器件提供了新思路，其仿真数据可指导生物芯片的微流道优化。未来通过调整图案的拓扑结构，有望实现更复杂的液滴逻辑控制，在器官芯片(Organ-on-a-chip)和可穿戴散热设备等领域具有广阔应用前景。