论文标题：Non–contact optical characterization of negative pressure in hydrogel voids and microchannels (水绝对负压的非接触式光学测量)

期刊：Frontiers of Optoelectronics

作者：Shihao Xu, Xiaowei Liu, Zehua Yu, Kang Liu

发表时间：06 May 2022

DOI：10.1007/s12200-022-00016-5

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第一作者：徐诗浩、刘晓威

通讯作者：刘抗

通讯单位：武汉大学

研究背景

水的液相绝对负压（压力值小于零帕）是一种热力学亚稳态，它是一种应该空化却没有空化的液体状态，形象的理解是水分子网络处在一种被拉伸的状态下。绝对负压状态在植物的水分运输等自然界机制中广泛存在，同时在工程应用上可以提供巨大的被动式驱动力以及更宽的理化性质区间，因此在实际应用中具有极大的潜力。然而，目前对水绝对负压的实验研究较少，主要原因在于负压的形成条件苛刻，实验一般需要在微纳米尺度中进行，负压的实验测量困难。而且现有测量技术往往需要与负压下的水产生界面接触，引入不可控变量。实验测量技术上的困难限制了对绝对负压这一物理状态的深入理解和探索。

文章简介

针对这一问题，武汉大学刘抗课题组提出了一种非接触式光学测量技术，实现了对绝对负压的非接触光学测量，相关工作于2022年4月14日以Non–contact optical characterization of negative pressure in hydrogel voids and microchannels为题发表在Frontiers of Optoelectronics 期刊上。

图文导读

创新点一：基于非接触光学方法的微孔内单点负压测量

如图1所示，研究团队为了解决非接触测量的难题提出了全新的思路：利用负压产生的外部形变来实时测量负压，而形变大小通过白光干涉仪实时表征。为了证明这一想法，研究团队利用气液平衡法在水凝胶微孔内形成液相绝对负压，随后，通过白光干涉仪测量水凝胶表面由于负压产生的形变，并通过显微镜测量对应微孔的尺寸以及位置，从而通过形变反推水凝胶微孔中水的负压大小。

图1 非接触式光学负压测量技术原理图

实验中，含有微孔的水凝胶通过煮沸的方式进行充水，并放置在控制湿度的环境中蒸发，从而使微孔中的水处于负压状态（如图2所示）。为了验证水凝胶表面形变与微孔内负压的对应关系，研究团队对水凝胶表面的形变过程进行了观测，发现当水凝胶微孔中水的负压逐渐增大时，对应的水凝胶表面会产生形变（凹坑），并且形变也会相应地逐渐增大（如图3所示）。为了通过水凝胶表面形变推算对应微孔中水的负压大小，采用COMSOL软件对凹坑形成过程进行反演计算，得到了水凝胶微孔内的水的负压值。通过对不同负压状态下的样品进行测量，发现使用此方法获得的测量结果均与理论值吻合较好（如图4所示）。

图2 (a)含有充水微孔的水凝胶样品照片。(b)内部含有水的微孔和空化后的微孔（左上）的光学显微镜照片。(c)气液平衡法在微孔内形成负压的实验原理图

图3 (a)利用白光干涉轮廓仪得到的微孔上方的水凝胶表面形貌表征。内置图显示负压下充水的水凝胶微孔。(b)蒸发过程中水凝胶表面凹坑动态变化

图4 实验测量负压值与理论值的比较

创新点二：微通道内的负压分布的多点测量

基于该非接触式光学测量方法，研究团队进一步利用该技术测量了微流道内水的负压分布（如图5所示）。研究团队设计并制作了一种微流道芯片。当水在微流道一端蒸发并带动水在微流道内流动时，由于微流道内的流动阻力，水会在流道内形成负压梯度分布，而微流道表面的PDMS薄膜会因此产生对应的形变分布。通过观测薄膜形变并在COMSOL软件内进行建模计算，测量可得到微通道内的负压分布，并发现其与理论计算值十分吻合，这一技术可为研究绝对负压下的流体行为提供技术支撑。

图5 (a)负压分布测试原理示意图。(b)微流芯片照片。(c)微通道尺寸表征。(d)蒸发前与蒸发后微通道表面PDMS薄膜形貌变化。(e)模拟软件内的微通道模型图。(f)薄膜表面凹陷的拟合。(g)A、B、C三点的负压测量值。(h)微通道内的负压分布测量结果与理论值的比较

总结和展望

研究团队提出的非接触式光学测量负压的技术，可以通过非接触的方式准确地测量微小空间中水形成的绝对负压，并且该技术不仅能用于单点负压测量，还能测量不同位置的负压分布。这项工作不仅为负压的实验测量提供了一种方便可靠的技术手段，也有助于进一步研究绝对负压状态下水的诸多性质。

摘要

Negative pressure in water under tension, as a thermodynamic non-equilibrium state, has facilitated the emergence of innovative technologies on microfluidics, desalination, and thermal management. However, the lack of a simple and accurate method to measure negative pressure hinders further in-depth understanding of the properties of water in such a state. In this work, we propose a non-contact optical method to quantify the negative pressure in micron-sized water voids of a hydrogel film based on the microscale mechanical deformation of the hydrogel itself. We tested three groups of hydrogel samples with different negative pressure inside, and the obtained results fit well with the theoretical prediction. Furthermore, we demonstrated that this method can characterize the distribution of negative pressure, and can thus provide the possibility of investigation of the flow behavior of water in negative pressure. These results prove this technique to be a promising approach to characterization of water under tension and for investigation of its properties under negative pressure.

作者介绍

刘抗，武汉大学教授，博导。主要研究方向为热科学在能源、信息以及生命健康领域的交叉利用。迄今发表学术论文51篇，主持包括基金委地区联合项目、面上项目在内的项目十余项。

徐诗浩，武汉大学硕士研究生，2019年于武汉大学获得核工程与核技术本科学位，目前正在武汉大学动力与机械学院攻读热能工程硕士学位，主要研究方向为负压下水的微流体行为。

刘晓威，2019年于华中科技大学获得能源与动力工程本科学位，目前在美国西北大学材料学院攻读博士学位，主要研究领域为柔性电子材料领域。

实验室网站：https://microfluidics.whu.edu.cn/

期刊简介

Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格（Springer）出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展，并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会，承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊项目。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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