烷基咪唑鎓离子液体的电磁耦合润湿与传输行为

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Electromagnetically coupled wetting and transport behavior of alkylimidazolium ionic liquids

　　

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  外部物理场可以调控烷基咪唑盐类离子液体的润湿性。
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  与单独磁场相比，电场对减小接触角的效果更强。
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  组合电磁场可驱动离子液体定向迁移。迁移速度随电压、温度和离子液体浓度的增大而增大。
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  离子液体表现出稳定的结构和优异的电磁响应性。

引言

离子液体，尤其是烷基咪唑盐类离子液体，凭借其低熔点、可忽略的蒸气压、高热稳定性、优异的离子电导率以及可调的物理化学性质，在多种应用领域受到了广泛关注[1], [2], [3]。离子液体的润湿性与其与固体表面的相互作用密切相关，因此在铺展、粘附、界面输运、涂层以及微流控操控等方面具有重要作用[4]。由于离子液体具有低挥发性、高离子电导率以及可调的物理化学和界面性质，其润湿性可作为在响应场应用中控制其界面行为的重要手段。此外，离子液体的润湿性和输运行为在决定其实际应用性能方面也起着关键作用[5], [6]。

外部物理场，尤其是电场和磁场，提供了一种无接触且可动态调控的方法来调节离子液体的界面和输运行为。因此，了解这些场如何影响接触角演变和定向输运对于开发场控制的离子液体界面和微流控系统具有重要意义。电场可以通过离子迁移和极化来调节离子液体中的局部电荷排列，从而改变其润湿性和界面行为[7]。磁场也可以调节液滴的润湿性和界面动力学，这一现象通常被称为磁润湿。最近的研究表明，磁场下磁性流体液滴可以表现出可切换的润湿状态，并揭示了复合液滴对磁场激励的动态响应[8], [9], [10]。然而，这些研究主要关注磁流体或基于磁性流体的液滴，而烷基咪唑盐类离子液体的磁润湿行为及其与场驱动离子输运的耦合仍较少被探索。

此外，电场和磁场的组合可以产生额外的电磁驱动力，为离子液体的主动操控提供了一种有前景的方法[11], [12]。尽管离子液体对电场或磁场的响应已被研究，但先前的研究主要集中在电导率[13]、电化学行为及场诱导极化[14]，或流体动力学和界面输运[15]上。电场诱导的基于离子液体的液滴润湿也已被研究，揭示了液滴构型和接触角随场依赖的变化[16]。相比之下，场诱导润湿演变与定向输运之间的关系，尤其是在耦合电场和磁场下的关系，仍然缺乏充分的理解。具体而言，电磁场如何同时调控烷基咪唑盐类离子液体的界面接触角、接触角滞后和定向迁移，这一问题的研究仍不够充分。

在本工作中，我们系统研究了烷基咪唑盐类离子液体在电场、磁场和组合电磁场下的润湿性和迁移行为。首先比较了所施加场对接触角演变的影响，以明确离子液体对不同物理场的不同响应。在相互垂直的电场和磁场下，我们进一步研究了界面润湿与定向迁移之间的耦合，包括前进和后退接触角的演变。还进一步考察了电压、温度和离子液体浓度对迁移速度的影响，并根据观察到的场诱导离子重新分布和润湿行为提出了耦合的界面-输运机制。本工作的关键创新之处在于揭示了在相互垂直的电场和磁场下，烷基咪唑盐类离子液体的场响应界面润湿与定向输运之间的耦合关系，而非将润湿性和输运视为独立的响应。与以往主要关注在单一物理化学刺激下离子液体的润湿、界面相互作用或离子输运的研究[17], [18], [19]不同，本工作为离子液体界面和输运的主动调控提供了新的见解，为基于离子液体的智能输运和微流控系统提供了潜在的指导。

章节摘要

材料

1-甲基咪唑（99%）、1-烯丙基咪唑（98%）、1-溴丙烷（>99%）和二乙醚（99.5%）购自北京艾伟德化学科技股份有限公司（中国北京）。1,4-丁二醇二缩水甘油醚（>99%）由广东宇赫新材料有限公司（中国广东）提供。所有化学品均为分析纯，未经进一步纯化即直接使用。

离子液体的合成

选取两种具有代表性的烷基咪唑盐类离子液体，即1-甲基-3-丙基咪唑溴盐（[MPIm]Br）和

结果与讨论

选取两种具有代表性的烷基咪唑盐类离子液体，即[APIm]Br和[MPIm]Br，它们具有相似的阳离子结构但不同的烷基取代基，作为本研究的模型体系，SiO?玻璃作为明确的模型界面。 [MPIm]Br和[APIm]Br在SiO₂玻璃表面的平衡接触角分别为59.27°和58.11°。在接触角测量过程中施加了外部物理场。对于电场测量，两个电极

结论

系统研究了电场、磁场和组合电磁场对烷基咪唑盐类离子液体润湿性和输运行为的影响。电场和磁场均可减小接触角，而相互垂直的电场和磁场则诱导了具有明显接触角滞后的定向迁移。润湿和输运响应取决于所施加的电压、磁场强度、温度、水含量以及

CRediT作者贡献声明

李汉生：指导。张亚平：撰写——审阅与编辑，指导，项目管理，方法论，资金支持。苏文晶：调查。赛洋洋：调查。尹红星：调查。朱云鹏：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究获得了广东省基础与应用基础研究基金（批准号：2024A1515010859）以及国家自然科学基金（批准号：22478034）的资助。

赛洋洋|苏文晶|朱云鹏|尹红星|张亚平|李汉生