CN112588218B - 一种实现液滴快速自发旋转的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现液滴快速自发旋转的方法，包括如下步骤：选择pH值为0.01～4.5的酸性液体，和处于流动状态下的液态金属；利用滴管一次将体积为5μl～500μl的酸性液体滴在液态金属的表面，使液滴与液态金属发生反应后内部产生大量微纳米气泡，气泡在独自运动和相互间作用下产生涌现行为，并自动在液滴内部发生旋转效应，进而带动液滳发生自旋。本发明具有简便易行、快速、角速度大、可持续稳定旋转、无需外部驱动、特定条件或装置等特点，并且可通过调控液滴与液态金属之间的反应剧烈程度或添加压力装置及浓酸补充装置来调控液滴的旋转速度及时间，且可以以稳定的形状持续旋转，进而通过调控参数或施加对称破缺实施装置实现液滴不同运动形态下的旋转形状。

Description

一种实现液滴快速自发旋转的方法

技术领域

本发明涉及物理化学、液滴动力学、润湿界面及粒子运动领域，特别是涉及一种将化学能直接转化为转动动能实现液滴快速稳定自发旋转的方法。

背景技术

液滴的自发运动在微流控芯片、生物芯片、生物检测、芯片实验室、柔性电子设备等一系列重要应用中起着重要乃至关键的作用。以简易快速的方法实现液滴的自发运动对推动这些工业应用具有重要作用，而液滴的旋转则是液滴运动的重要部分。

粒子的正反自旋可以携带相反的信息，而通过旋转的液滴可以实现这一功能在以上应用场景中的拓展应用。以往的液滴自发旋转大多借助于施加电磁场、温度场、化学梯度场或制备非对称结构等，来诱导液滴发生旋转。但这些方法在实用、有效性、稳定性等方面均具有重大的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种将化学能直接转化为转动动能实现液滴快速稳定自发旋转的方法。

具体地，本发明提供一种实现液滴快速自发旋转的方法，包括如下步骤：

步骤100，选择pH值为0.01～4.5的酸性液体，和处于流动状态下的液态金属；

步骤200，利用滴管一次将体积为5μl～500μl的酸性液体滴在液态金属的表面，使液滴与液态金属发生反应后内部产生大量微纳米气泡，气泡在独自运动和相互间作用下产生涌现行为，并自动在液滴内部发生旋转效应，进而带动液滳发生自旋。

本发明具有简便易行、快速、角速度大、可持续稳定旋转、无需外部驱动、特定条件或装置等特点，并且可通过调控液滴与液态金属之间的反应剧烈程度或添加压力装置及浓酸补充装置来调控液滴的旋转速度及时间，且可以以稳定的形状持续旋转，进而通过调控参数或施加对称破缺实施装置实现液滴不同运动形态下的旋转形状。

本发明中，液滴利用自身体系间的相互作用，无需外部驱动、特定条件或装置即可实现自发旋转，可以实现化学能直接向转动动能的转化，而避免了电能/热能等其他形式能量的二次转化，对于提高能源转化效率、实现不同运作原理的能源开发等具有重要的应用，提供的能量转化体系，具有能源利用方式的变革性意义。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的方法流程示意图；

图2是本发明实施方式的滴放单个100μl酸性液滴的持续自发旋转示意图；

图3是本发明一个实施方式中有滴管介入的酸性液滴呈两瓣旋转的示意图；

图4是本发明一个实施方式中有滴管介入的酸性液滴呈三瓣旋转的示意图；

图5是本发明一个实施方式中有滴管介入的酸性液滴呈四瓣旋转的示意图；

图6是本发明一个实施方式中无滴管介入的酸性液滴呈三瓣旋转的示意图；

图7是本发明一个实施方式中无滴管介入的酸性液滴呈四瓣旋转的示意图；

图8是本发明一个实施方式中液滴内部边界处与液滴内部中间部位气泡运动的示意图，(a)边界部位；(b)中间部位。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种实现液滴快速自发旋转的方法，包括如下步骤：

步骤100，选择pH值为0.01～4.5的酸性液体，和处于流动状态下的液态金属；

这里的酸性液体可为任意与液态金属反应后能生成气泡的酸性液体，本实施方式选择稀硫酸或盐酸中的一种。此外，在满足实验其它条件的情况下，也可以使用其它的酸液。

液态金属为100℃下呈现液态的单质金属或混合金属，优选采用常温下能够呈液态的金属或多种金属的混合物，以方便在实际中应用。在采用单质金属时，可采用纯液体镓单质；在采用多种金属的混合物时，可采用55％～100％的镓与0％～45％的铟、0％～35％的锡、0％～15％锌中的一种或几种组合构成的镓基混合物。

液态金属可盛装在敞口的培养皿内，以方便反应和观察，培养皿需经过酸液清洗。此外，为提高反应效果，在酸性液体与液态金属反应前，可利用酸性液体对液态金属的表面进行清洗，以去除氧化物。

步骤200，利用滴管一次将体积为5μl～500μl的酸性液体滴在液态金属的表面，使液滴与液态金属发生反应后内部产生大量微纳米气泡，气泡在独自运动和相互间作用下产生涌现行为，并自动在液滴内部发生旋转效应，进而带动液滳发生自旋。

如图8所示，酸性液体与液态金属发生反应后，在液滴内部生成大量具有活性粒子特征的微纳米气泡，气泡在受限边界条件下产生涌现行为，进而自发的在液滴内部旋转。所有的气泡共同做定向环向运动后，形成群体性自动旋转效应，进而可带动液滴的形状发生变化，并发生旋转，其旋转角速度为0.1rad/s～1000rad/s。这里的气泡只是液滴产生的活性粒子的一种表现，在实际应用时，或采用不同的反应对象时，其他具有活性粒子特征的粒子均可。

具体过程为：在液滴内部，产生的活性粒子在自身的浮力作用下向液滴外部运动，同时在液滴内部流场的作用下，向液滴的边界处聚集。大量聚集在边界的微纳米气泡受到相互间作用、独自运动、合并、溃灭等以及液滴受限边界的影响，发生定向的环向运动，并进而带动整个液滴发生变形及定向的转动，诱导其自旋发生。

液滴旋转需要满足的无量纲数范围为：

1<Wer＝ρΩ²L³/γ<100

该无量纲数表征旋转液滴的转动动力与表面张力的比较，其中，ρ为液体密度，Ω为液滴旋转角速度，L为液滴特征尺度，γ为液滴表面张力。

其中，单滴液滴的形状会在内部气泡的环向运动中，形成逗号形，太极形，三角形、四边形或单瓣等形状，其中图2可看作是逗号形或单瓣形状。而持续向同一个位置滴入液滴，则会使液滴内部的气泡持续形成旋流效应，如图3-图7所示，进而带动液滴形成两瓣、三瓣、四瓣、多瓣的花瓣形状。其中，液滴在自旋过程中当有滴管介入时，可实现定位效果，即滴管介入液滴时，会将旋转的液滴限制在当前位置，防止其移动。在实际应用中，可根据需要选择某种特定的形状。

液滴实现旋转的过程中，活性粒子须有边界等限定条件，使得活性粒子在一定的边界范围内运动，从而产生群体旋转运动效应，并带动液滴实现旋转。液滴中活性粒子的运动边界不局限于液滴的表面，其他具有类似功能的边界均可。

而为了降低反应过程前后的氧化反应，优选在实际利用时，制造真空环境进行前述反应过程。

本实施方式具有简便易行、快速、角速度大、可持续稳定旋转、无需外部驱动、特定条件或装置等特点，并且可通过调控液滴与液态金属之间的反应剧烈程度或添加压力装置及浓酸补充装置来调控液滴的旋转速度及时间，且可以以稳定的形状持续旋转，进而通过调控参数或施加对称破缺实施装置实现液滴不同运动形态下的旋转形状。

本实施方式中，液滴利用自身体系间的相互作用，无需外部驱动实现自发旋转，可以实现化学能直接向转动动能的转化，而避免了电能/热能等其他形式能量的二次转化，对于提高能源转化效率、实现不同运作原理的能源开发等具有重要的应用，提供的能量转化体系，具有能源利用方式的变革性意义。

由于液滴及液态金属均为软物质，同样不同尺度的旋转液滴起到了柔性微尺度马达的作用，因此，本实施方式在拓展柔性电子设备、柔性马达、液体环境下的柔性装置的开发具有广泛应用。

在本发明的一个实施方式中，提供一种触发液滴加快旋转进度的方法，具体过程如下：

利用两面分别涂有不同表面能的器件，以在液滴刚滴入液态金属表面时与液滴接触，使液滴由正常的圆形变为不规则的形状；由于液滴在刚滴入液态金属表面时，由于对称形状使液滴环向受力平衡，无法立即开始旋转，而采用器件进行触发后，可促使液滴外形发生变形进而破坏内部的平衡，从而可使液滴在内部气泡的群体运动作用下，快速进入持续自发旋转的状态，同时可控制液滴转动的方向。

本实施方式所使用的器件为楔形，可通过直径细的一端与液滴接触，其两面的表面能分别为疏水表面和亲水表面，如疏水表面可由疏水试剂均匀蒸镀或聚二甲基硅氧烷匀涂，而亲水表面可采用等离子体处理。具体的器件设置数量为1～4个，在多于一个时，各器件采用对称的方式布置在液滴的周边。

在本发明的一个实施方式中，提供一种在液态金属表面设置环形边界进而使液滴自然变形的方法，具体步骤为：

步骤101，采用一根盛装有酸性清洗液的容器，在容器的一端开口处安装可控制酸性清洗液流出量的纳滤膜，和围绕容器开口环形布置的毛细棉，且容器的开口为非对称形状；纳滤膜可以控制酸性清洗液的流出量，避免清洗范围扩大。

毛细棉可防止滴落的液滴流出控制范围，同时具有一定弹性，具体的毛细棉可采用海绵等具有稀疏毛细孔的材料。

步骤102，将容器的开口与所述液态金属表面接触，利用流出的酸性清洗液将接触位置的金属氧化层清洗掉，同时利用毛细棉吸收使用过的酸性清洗液，以在所述液态金属表面形成一个非对称形状的反应范围，然后将所述液滴滴入反应范围内，从而可控地使所述液滴自发旋转。

在该步骤中，在液态金属表面清洗出的形状即为容器的开口形状，那么液滴滴落后其边界自然与开口形状对应，即是一个非对称的形状，这样其内部的平衡就会被打破，从而使液滴在内部气泡的群体作用下，快速进入旋转状态。这里容器开口的形状，可以是任意能够破坏液滴对称状态的形状，如某边设置为直边，或在外圆周的某个位置凹进一块，或凸出一块等。

在本发明的一个实施方式中，提供一种高压氦气装置，该高压氦气装置包括盛装氦气的压力装置，和作为反应空间的密封压力腔及加浓酸装置。

酸性液体和液态金属在密封压力腔内进行反应，压力装置在反应过程中，能够为密封压力腔内提供与液滴反应时内部气泡溢出相等的气压或控制密封压力腔内的压力，以控制液滴的饱和蒸气压，抑制或加快液滴内的气泡溢出量，进而可控制液滴旋转的持续时间。

加浓酸装置包括盛装浓酸的浓酸瓶，连接浓酸瓶与酸性液体的细长管，加浓酸装置在酸性液体与液态金属反应的过程中，持续或及时补充酸性液体中的氢离子，可进一步延长液滴与液态金属的反应时间。

以下以具体实施例来对本方法的基本反应过程做进一步说明。

实施例一：

实验选取65％镓和35％铟混合成的液态金属，将液态金属从储存试管中倒入清洗后的培养皿中，可以采用倒入或滴管吸取后在滴入培养皿中，培养皿直径为8厘米，采用稀硫酸溶液进行清洗润湿，后清除稀硫酸溶液。

取15毫升的液态金属，倒入或注入液态金属时，尽量减少液态金属氧化物质的进入。设置好液态金属后，再采用pH值为2.26的稀硫酸溶液除去液态金属表面的氧化层。

完成前述步骤之后，采用pH为1.68，体积为0.1ml的稀硫酸溶液，采用滴管滴落在液态金属表面，滴落位置尽量选取液态金属中心位置，以便使液滴更好旋转起来。如图2所示，此时液滴旋转起来呈现一种逗号或太极形状，同时可视为液滴的单瓣旋转形态。液滴的旋转速度与实验参数相关。

实施例二：

采用成分比为65％镓和35％铟的液态金属，将液态金属从储存试管中取出，放置在直径为8cm的塑料培养皿中，采用稀硫酸清洗液态金属表面，去除液态金属的表面氧化层。

之后采用可以固定空间位置的注射泵注射头来进行稀硫酸液滴的滴落。注射泵设置：采用微纳米液体注射泵，采用注射速率为0.005ml/s，通过机械臂来控制注射头的空间位置，使注射头位于液态金属表面上方3mm处，并垂直于液态金属表面进行注射。

其中，液滴采用pH为1.21的稀硫酸溶液。通过持续向同一位置注射不同或相同体积的稀硫酸溶液，如图3-图7所示，液滴在液态金属表面上会自发形成多瓣-五瓣-四瓣-三瓣-两瓣-单瓣等旋转形式。活性粒子在液滴内部的旋转速率在10¹rad/s量级。

该旋转形式使得酸性液滴与液态金属之间发生的化学反应产生的化学能直接转化为物体的转动动能，可直接驱动物体进行转动，而无需常规的化学能转化为电能或热能，再次转化为转动动能驱动物体转动的方式。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种实现液滴快速自发旋转的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，选择pH值为0.01～4.5的酸性液体，和处于流动状态下的液态金属；

步骤200，利用滴管一次将体积为5μl～500μl的酸性液体滴在液态金属的表面，使液滴与液态金属发生反应后内部产生大量微纳米气泡，气泡在独自运动和相互间作用下产生涌现行为，并自动在液滴内部发生旋转效应，进而带动液滳发生自旋。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

还包括触发步骤，所述触发步骤为利用两面分别涂有不同表面能的器件，以在液滴刚滴入所述液态金属表面时与液滴接触，进而破坏初始状态下所述液滴内部的对称状态，加快所述液滴的变形及旋转，并控制液滴转动的方向。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述器件为楔形，两面的表面能分别为疏水表面和亲水表面；所述的器件设置数量为1～4个，在多于一个时，采用对称的方式布置在所述液滴的周边。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤100中，还包括在所述液态金属表面设置环形边界的步骤，具体过程为：

步骤101，采用一根盛装有酸性清洗液的容器，在容器的一端开口处安装可控制酸性清洗液流出量的纳滤膜，和围绕容器开口环形布置的毛细棉，且容器的开口为非对称形状；

步骤102，将容器的开口与所述液态金属表面接触，利用流出的酸性清洗液将接触位置的金属氧化层清洗掉，同时利用毛细棉吸收使用过的酸性清洗液，以在所述液态金属表面形成一个非对称形状的反应范围，然后将所述液滴滴入反应范围内，从而可控地使所述液滴自发旋转。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤200中，所述液滴旋转需要满足的无量纲数范围为：

1<Wer＝ρΩ²L³/γ<100

该无量纲数表征旋转液滴的转动动力与表面张力的比较，其中，ρ为液体密度，Ω为液滴旋转角速度，L为液滴特征尺度，γ为液滴表面张力。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

还包括高压氦气装置，其包括盛装氦气的压力装置，和作为反应空间的密封压力腔，及加浓酸装置；

所述酸性液体和所述液态金属在密封压力腔内进行反应，压力装置在反应过程中，为密封压力腔内提供并控制与所述液滴反应时内部气泡溢出相等的气压，以控制所述液滴的饱和蒸气压，抑制或加快所述液滴内的气泡溢出量，进而可控制所述液滴旋转的持续时间；

加浓酸装置包括盛装浓酸的浓酸瓶，连接浓酸瓶与酸性液体的细长管，加浓酸装置在酸性液体与液态金属反应的过程中，及时补充酸性液体中的氢离子，以进一步延长液滴与液态金属的反应时间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述酸性液体为任意与液态金属反应后能生成气泡的酸性液体；所述液态金属为100℃下呈现液态的单质金属或混合金属。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述酸性液体为稀硫酸或盐酸中的一种；所述液态金属为镓单质，或55％～100％的镓与0％～45％的铟、0％～35％的锡、0％～15％锌中的一种或几种组合构成的镓基混合物。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述液滴在内部气泡的带动下旋转的角速度为0.1rad/s～1000rad/s。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

单滴所述液滴或持续向同一个位置滴入所述液滴，会使所述液滴内部的气泡形成旋流效应，进而带动所述液滴形成逗号形，太极形，三角形、四边形或单瓣或多瓣的花瓣形状。

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