[论文解读] Hydration lubrication of polyzwitterionic brushes leads to nearly friction- and adhesion-free droplet motion

Dan Daniel, Alfred Yu Ting Chia+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 35被引用 4

一句话总结

本研究证明，聚两性离子刷通过水合润滑实现了近乎无摩擦和无粘附的液滴运动，其中在油滴与基底之间形成了一层稳定的纳米级水膜（厚度为100–500 nm）。通过光学干涉仪和自制液滴力装置，作者测得摩擦力和粘附力在nN量级——比传统超疏油表面低几个数量级——证实了水合层中的粘性耗散是主导机制。

ABSTRACT

Recently, there has been much progress in the design and application of oil-repellent superoleophobic surfaces. Polyzwitterionic brush surfaces are of particular interest, because of their ability to repel oil under water, even in the absence of micro-/nano-structures. The origin of this underwater superoleophobicity is attributed to the presence of a stable water film beneath the oil droplet, but this had not been demonstrated experimentally. Here, using optical interferometric techniques, we show that an oil droplet effectively hydroplanes over a water film, whose thickness is between one hundred and hundreds of nanometres. In addition, using a custom-built Droplet Force Apparatus, we measured the friction and adhesion forces to be in the nN range for millimetric-sized droplets. These forces are much lower than for other classes of well-known liquid-repellent surfaces, including the lotus-effect and lubricant-infused surfaces, where the typical force is on the order of $μ$N

研究动机与目标

• 通过实验确认在聚两性离子刷上油滴下方存在稳定的水合层。
• 以亚微米分辨率测量毫米级油滴在这些表面上所受的摩擦力和粘附力。
• 建立液滴运动动力学与界面水膜厚度之间的关系。
• 从力 scaling 和动态响应角度，比较聚两性离子刷与传统超疏油表面（如荷叶和润滑剂浸渍型）的性能。
• 基于实验数据，建立并验证摩擦力和粘附力的 scaling 法则。

提出的方法

• 采用表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）在玻璃和硅基底上生长聚(磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯)（PSBMA）刷。
• 使用椭偏仪和原子力显微镜（AFM）测量干燥和湿润状态下的刷层厚度，证实水合后膨胀50%。
• 利用561 nm光的反射干涉对比显微镜（RICM）直接观测并量化界面水膜厚度，通过薄膜干涉条纹实现。
• 设计并构建了自制液滴力装置（DFA），通过监测悬臂偏转测量摩擦力和粘附力，分辨率达nN。
• 在不同液滴速度（U = 4–2000 μm/s）和毛细数（Ca = 8×10⁻⁸ – 4×10⁻⁵）下进行力测量，分析力与流速和液滴尺寸的关系。
• 建立并验证了无量纲的摩擦力和粘附力 scaling 关系，将其与毛细数和液滴半径关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在聚两性离子刷上，油滴下方水合层的实际厚度是多少？其对界面力有何影响？
• RQ2 聚两性离子刷上的摩擦力和粘附力与传统超疏油表面（如荷叶或润滑剂浸渍型）相比，定量差异如何？
• RQ3 聚两性离子刷上摩擦力和粘附力对液滴速度和液滴尺寸的函数关系是什么？
• RQ4 观测到的超低力是否可由水合膜中的粘性耗散解释？是否与理论 scaling 法则一致？
• RQ5 与体流动或毛细效应相比，接触线钉扎和液滴底部的粘性流动在所测力中占主导地位的程度如何？

主要发现

• 通过使用561 nm光的RICM干涉条纹，直接观测并量化了PSBMA刷上油滴下方的水合层厚度为100–500 nm。
• 聚两性离子刷上的摩擦力和粘附力在nN量级（例如，F_adh,min = 20 nN，速度为2 μm/s），显著低于荷叶或润滑剂浸渍型表面所测得的μN量级力。
• 对于稳定的水合层，摩擦力与F_fric ∝ U²/³成正比，粘附力与F_adh ∝ U⁰.⁶成正比，表明粘性耗散主导能量损失。
• 当水合层不稳定时（如在薄刷层上），力增加至>1 μN且与速度无关，表明钉扎行为占主导。
• 无量纲摩擦力F_fric/(2rγ)为0.001–0.01，对应接触角滞后Δcosθ在同一范围，比荷叶效应表面（Δcosθ = 0.05–0.10）低一个数量级。
• 液滴力装置（DFA）成功分离了基底粘性力和钉扎力，控制实验表明当液滴远离表面时无悬臂偏转，验证了其有效性。