磁活性弹性体上静态液滴接触角的原位变化

《Advanced Materials Interfaces》：In Situ Change in Contact Angle of a Sessile Droplet on a Magnetoactive Elastomer

　　

磁活性弹性体（magnetoactive elastomer, MAE）表面上磁可调润湿性的传统表征要求在改变表面状态（例如通过磁场）时重新沉积水滴。受这些智能材料在数字微流控（digital microfluidics）中潜在应用的启发，研究人员实验研究了时变磁场中MAE表面的润湿行为。不仅考虑了动态接触角（dynamical contact angle），而且外部施加的磁场可以随时间变化（方波、上升沿和下降沿阶跃激励）。研究发现，永久存在于MAE表面上的水滴的润湿特性与传统方法不同，即磁场增加通常不会导致接触角（contact angle, CA）增加。此外，研究人员假设在软（有效剪切模量<<< 10 kPa）MAE表面上润湿脊（wetting ridge）的形成和磁场增强在动态润湿中起重要作用。一个简单的纯几何理论能够描述上升沿阶跃磁场下膨胀液滴CA随时间的初始增长。观察到的物理效应结合关于MAE表面和块体性质的现代概念进行了讨论。

本研究针对磁活性弹性体（magnetoactive elastomer, MAE）表面上液滴润湿行为在磁场作用下的原位调控问题展开。传统研究通过重新沉积液滴来改变表面状态，但这种方法不适合数字微流控等需要液滴持续接触表面的应用场景。研究人员以动态调控为目标，实验研究了时变磁场中MAE表面的润湿特性，发现原位条件下的润湿行为与常规表征显著不同，并揭示了润湿脊（wetting ridge）在钉扎接触线中的关键作用。该论文发表在《Advanced Materials Interfaces》。

研究人员主要采用以下关键技术方法：使用自制测角仪，结合线性位移台驱动永磁体产生可调磁场（磁场方向垂直于MAE表面，磁通密度值0–400 mT）；通过高速摄像记录液滴轮廓，并利用自定义程序进行图像分析，提取接触角（contact angle, CA）和接触线宽度（contact line width, CL width）；测量了静态接触角（static contact angle, SCA）、前进接触角（advancing contact angle, ACA）、后退接触角（receding contact angle, RCA）以及动态接触角（dynamic contact angle, DCA）；采用方波和阶跃（上升沿/下降沿）磁场激励协议，液滴体积通过注射泵精确控制（流量3 μL/min）。材料为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）基体嵌入80 wt%羰基铁粉（carbonyl iron powder, CIP）的MAE，剪切模量约10 kPa，样品厚度约0.3 mm，并粘附在聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）载膜上以防止大尺度变形。

研究结果如下：

**2.1 Material Wettability（材料润湿性）**：通过传统方法（液滴在预设磁场下放置，测量后移除）测定不同磁场下的ACA、RCA和SCA。结果表明，ACA和RCA随磁场增加而增加，而RCA减小，且接触角滞后增大，表明磁致表面粗糙度增加导致疏水性和粘附性增强。

**2.2 Square Wave Magnetic Field: SCA（方波磁场下的静态接触角）**：在液滴持续存在的情况下，交替开关磁场，连续测量SCA和接触线宽度。发现SCA整体随时间下降（归因于蒸发），且磁场切换仅当初始磁场为“开”时产生显著瞬态响应：首次关闭磁场后SCA下降，但后续切换影响不大；接触线宽度在初始有磁场时随时间增加，且上升时间（约34 s）与磁场强度相关。

**2.3 Step Excitations（阶跃激励）**：分为上升沿和下降沿两种阶跃。
- **2.3.1 SCA and CL Width（SCA和接触线宽度）**：上升沿阶跃中，SCA随时间显著下降（尤其在高磁场300–400 mT），接触线宽度在磁场开启后几乎恒定；下降沿阶跃中，SCA随时间增加，接触线宽度起始值不同但最终趋同。
- **2.3.2 Dynamical CA and CL Width（DCA和接触线宽度）**：定义DCA为液滴膨胀过程中连续测量的接触角。上升沿阶跃中，DCA先随时间增加，达到一个峰值后突然下降（称为“脱钉时间” t_dep），随后保持恒定；接触线宽度在t_dep之前恒定，之后增加。下降沿阶跃中，DCA迅速下降并趋近于无磁场时的值。

**2.4 Spatial Model for Transient Behavior of θ_d: Pinning to the Wetting Ridge（θ_d瞬态行为的空间模型：钉扎于润湿脊）**：提出一个基于球冠近似的几何模型，假设液滴体积线性增加、接触线宽度恒定（钉扎于润湿脊），通过拟合实验数据（R2=0.995）验证了模型的有效性，表明上升沿阶段DCA的增长源于液滴在固定润湿脊上的膨胀，直至溢出脱钉。

讨论部分总结：传统表征显示MAE材料具有玫瑰花瓣效应（高磁场下疏水性与粘附性同时增加）。原位方波实验表明，当液滴初始置于高磁场时，首次关闭磁场后润湿脊形成并影响后续响应；而初始无磁场时，润湿脊已存在，后续磁场切换效果不显著。阶跃实验中，上升沿DCA的钉扎行为归因于磁场增强的润湿脊刚性化，阻止接触线移动；下降沿则仅表现为表面粗糙度松弛后的液滴铺展。该现象可类比于可切换的“刚性缺陷”，用于微流控中按需控制液滴运动。结论部分翻译如下：总之，在液滴存在时通过磁活性弹性体表面改变磁场，会对固液相互作用动力学产生显著影响。原位磁场变化下液滴的行为与每次场变化后更换液滴的行为存在本质差异。SCA和DCA的下降沿阶跃响应几乎相同；而上升沿阶跃中SCA表现为接触线运动的中断。研究人员提出以下物理机制：上升沿阶跃磁场下DCA的瞬态响应显示出最显著的行为变化——开启磁场似乎通过固定润湿脊来阻止移动接触线（钉扎），导致接触角随时间增长；DCA增长至高于无润湿脊时材料表面特性预期的值后，液滴从润湿脊脱钉并按照先前实验预期润湿表面，此过程中接触线宽度保持恒定。目前，实验发现尚无法用现有理论定量描述，但希望激励理论学家开发描述MAE基智能表面动态润湿的新模型。无论根本原因如何，将液滴钉扎于润湿脊可阻止接触线移动，因此通过开关磁场，可以按需强制液滴停留或允许其继续铺展，基于液滴的微流控应用可能受益于此功能。