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液滴與固體表面相互作用的現(xiàn)象在物理學(xué)、化學(xué)以及工程學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在涂層、傳感器、微流控設(shè)備等領(lǐng)域。液滴在聚合物表面上的行為，是一個(gè)復(fù)雜的多尺度過程，涉及液體的表面張力、濕潤(rùn)性、接觸角等因素。在多種液滴形態(tài)中，液滴在聚合物表面形成的三線結(jié)構(gòu)（也稱為三相接觸線）是一個(gè)關(guān)鍵的物理現(xiàn)象，研究這一結(jié)構(gòu)不僅有助于深入理解表面現(xiàn)象，還能為多種技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新提供理論支持。 

三線結(jié)構(gòu)描述的是液滴與固體表面以及氣相之間的接觸界面，形成了一個(gè)三相接觸線的區(qū)域。在該區(qū)域，液滴、固體表面和氣相交接，形成了復(fù)雜的物理和化學(xué)交互作用。這些交互作用決定了液滴的形態(tài)、穩(wěn)定性及其在聚合物表面上的擴(kuò)展行為。

Part.1三相接觸線的形成機(jī)制

液滴在聚合物表面形成的三線結(jié)構(gòu)通常源自液滴、固體表面和氣相之間的相互作用。當(dāng)液滴與表面接觸時(shí)，形成了一個(gè)三相接觸區(qū)域，這一區(qū)域的穩(wěn)定性受以下幾個(gè)機(jī)制的影響：

01 濕潤(rùn)性和表面張力的平衡： 液滴在表面上的擴(kuò)展或收縮過程是由于液體分子之間的表面張力與固體表面分子之間的相互作用力之間的平衡。當(dāng)液滴的表面張力與聚合物表面的表面能之間達(dá)到平衡時(shí)，液滴在表面上形成穩(wěn)定的三線接觸結(jié)構(gòu)。

02 粘附力與表面能： 液滴在聚合物表面上的形態(tài)還受到粘附力的影響。粘附力是液滴與表面之間的力，它可以使液滴在表面上擴(kuò)展或發(fā)生分裂。表面能的差異決定了粘附力的大小，進(jìn)而影響液滴的形狀和三線結(jié)構(gòu)的形成。

03 三相接觸角的變化： 在液滴與聚合物表面相互作用的過程中，接觸角的變化是三線結(jié)構(gòu)演化的一個(gè)重要標(biāo)志。接觸角的變化通常伴隨著液滴形態(tài)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致三線結(jié)構(gòu)的變化。在某些條件下，如表面能的調(diào)控或液滴的表面張力發(fā)生變化時(shí)，接觸角可能會(huì)急劇變化，進(jìn)而影響三線接觸結(jié)構(gòu)的形態(tài)。

04 表面粗糙度的影響： 表面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)三線接觸線有顯著影響。在粗糙的表面上，液滴的三線接觸線可能呈現(xiàn)不規(guī)則的形態(tài)，液滴可能會(huì)滯留在表面的小孔或微溝槽中。表面粗糙度對(duì)液滴的擴(kuò)展性和接觸角有顯著影響，通常會(huì)導(dǎo)致接觸角的增加。

Part.2三相接觸線的實(shí)驗(yàn)研究

液滴在聚合物表面形成的三線結(jié)構(gòu)在許多實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。例如，應(yīng)用于防水和防污；優(yōu)化液滴的引導(dǎo)和操作，提升微流控技術(shù)；液滴與表面之間的相互作用能夠影響傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。通過調(diào)節(jié)聚合物表面的特性，可以設(shè)計(jì)出更加靈敏的檢測(cè)裝置。

Edward Bormashenko等人首次使用環(huán)境掃描電子顯微鏡（Quanta 200 FEG ESEM FEI）研究了三相接觸線的精細(xì)結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)三相線并不光滑，更傾向于結(jié)合聚合物基底而不是氣孔，觀察到了液滴周圍的先驅(qū)環(huán)，揭示了表觀接觸角對(duì)液滴體積的依賴關(guān)系可以用 Cassie和混合Wenzel-Cassie潤(rùn)濕模式之間的轉(zhuǎn)變來解釋，這是由毛細(xì)作用滲透到緩動(dòng)孔中的水引起的。

如下圖所示，研究者將涂有蜂窩狀PS 的PP 基底固定在保持在2°C 的 Peltier 臺(tái)上。在泵吸過程之前，使用精確的微分配器（微量注射器）小心地在樣品表面頂部沉積一滴水滴，并將其穩(wěn)定在2°C。在成像時(shí)，通過緩慢地以0.1 托里為增量改變壓力來控制樣本室中的相對(duì)濕度。在ESEM 濕模式下，使用GSED（氣態(tài)二次電子探測(cè)器）對(duì)液滴- 樣本邊界進(jìn)行成像。

在相同粗糙界面上，通過不同體積（0.5uLA，5uLB）的液滴形成了銳角（A）和鈍角（B）的APCA

三相接觸面，液滴體積1 微升，基底傾斜角度-15°的ESEM圖像

Part.3賽默飛環(huán)境掃描電鏡（ESEM）

賽默飛ESEM電鏡起源于1988年ElectroScan，最新的Quattro系列，已經(jīng)是第四代環(huán)掃電鏡產(chǎn)品。賽默飛在環(huán)掃電鏡領(lǐng)域擁有近30多年的技術(shù)積累，目前是市面上能夠提供最全面和最穩(wěn)定原位分析實(shí)驗(yàn)方案的唯一電鏡廠家！

利用環(huán)掃電鏡觀察液體樣品具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如，無需脫水即可直接觀察液體樣品，從而保持樣品的原始狀態(tài)；可調(diào)控環(huán)境中的濕度和溫度，支持液體樣品的動(dòng)態(tài)變化過程的實(shí)時(shí)觀察，例如液滴蒸發(fā)、液固界面現(xiàn)象、結(jié)晶過程等；可用于表征復(fù)雜體系（如懸浮液、乳液）中顆粒的分布和結(jié)構(gòu)；可用于研究液固界面的潤(rùn)濕性、顆粒分布以及液體的動(dòng)力學(xué)行為等。如下圖所示，利用賽默飛環(huán)掃電鏡觀察到的液體樣品結(jié)果。

青霉菌孢子（左）水汽凝結(jié)成水珠（右）

參考資料：Environmental Scanning Electron Microscopy Study of the Fine Structure of the Triple Line and Cassie-Wenzel Wetting Transition for Sessile Drops Deposited on Rough Polymer Substrates