简易策略产生带有任意极性电荷的液滴

英文原题: Facile Strategy to Generate Charged Droplets with Desired Polarities

通讯作者：张文峦，邓旭，电子科技大学基础与前沿研究院

作者：Yingxi Wang, Wenluan Zhang, Qiangqiang Sun, Shiji Lin, Sheng Sun, Xu Deng

近些年来，带电液滴引起了科研人员的广泛关注。基于带电液滴界面上独特的物理化学性质，发展出了多种新兴应用，包括固液界面发电机、快速精细化学反应、纳米材料自组装和微流控系统等等。要实现这些应用，首先需要有可控的带电液滴。通常，高压电喷雾可以用来产生微小的带电液滴，但这需要贵重的精密仪器。作为一种经济有效的替代策略，科研人员可以利用固体/液体界面效应，也就是接触起电(contact electrification, CE)效应，来产生带电液滴。常见的如使液滴撞击疏水表面，或在疏水表面上滑动来收集带电液滴。但以上方法所产生的液滴都是带正电的。如何令液滴带上负电是一个尚未探索的有趣课题。

近日，电子科技大学基础与前沿研究院的邓旭教授团队报道了一种产生带任意极性电荷液滴的简易策略。产生带电液滴的过程具体可分为两步(图1)。步骤一中，液滴撞击超双疏基板。液滴在固液界面分离后带有正电荷，基板则带有负电荷。这样一方面可以使基板充当驻极体在步骤二中使用，另一方面可以利用液滴在基板上通过撞击特定位置来形成复杂图案，使得带电液滴可以在基板上进行自组装演示。步骤二中，被液滴撞击后的超双疏基板以驻极体形式带有负电荷，靠近装有去离子水的注射器上半部分，静电感应诱导带电水合离子的再分布，使得水合正电离子靠近注射器上半部分，水合负电离子集中于针头位置。这样，就可以推送注射器得到带负电的液滴了。液滴体积和电荷量可以通过撞击速度和针头大小来分别控制，简便易操作。

图1. 步骤一通过固液接触分离，产生带正电液滴。步骤二通过静电感应，产生带负电液滴。

通过这个简单易操作的策略，该团队得到了带有任意极性电荷的液滴并在硅油中演示液滴的吸引和排斥运动轨迹(图2)。同时，通过在基板上使用液滴撞击特定位置，可以使得该点位带有负电。当将注射器悬置于这些充电点位上方并释放出液滴时，研究人员可以观察到这些液滴自动运动到预先充电位置形成各种图案(图3)。该方法通过固液分离和静电感应效应产生带有任意电荷的液滴，为在电场影响下的液滴运动、自组装提供了有趣的新思路。

图2. 带电液滴在硅油中的运动。可以看到两个带正电的液滴互相排斥；带相反电荷的液滴相互吸引。

图3. 根据基板上的预充电点位位置，液滴可自发形成各种图案。