微流控技术广泛应用于微电子、生物工程和纳米技术领域，液滴运动与控制是其中极为重要的方面，而表面张力是影响、甚至是控制微纳尺寸下液滴铺展与变形运动的关键因素。在电场作用下，电介质液体所含带电粒子在界面处的聚集或排斥作用在宏观上改变了液滴表面张力，进而影响微液滴的运动、变形、分裂及聚并等行为。因此，深入研究电场作用下表面张力对液滴铺展运动特征的影响具有重要意义。

Schmid等通过观察漂浮于气水交界面上的云母片，受到静电场作用时产生的运动距离变化研究了电场对表面张力的影响，发现当电场强度为6.7 kV/cm时，NaCl溶液的表面张力降低；但Damm对Schmid所得结果提出质疑，认为NaCl溶液表面张力的改变应归因于电极附近的杂散电场(Stray field)。Hayes采用波纹方法测量了平行电极板间气液界面处表面张力，认为在实验误差范围内，场强达10.4 kV/cm的电场对纯水和10%NaCl溶液的表面张力并无明显影响，但因实验不确定性较大，结论可信度有限；另外，Hayes基于热力学理论，推断液体表面和内部的压差致使表面张力增大，并与电场强度平方成比例。目前，采用实验直接测量表面张力研究电场对溶液表面张力的影响，限于实验精度和实验设计等原因，所得结论尚不统一。

相对采用实验直接测量电场对表面张力的影响，间接测量方法中取得许多积极成果，并涌现出多种新的测量方法。基于液滴重量法，Watanabe等测量了水油界面张力，发现增大电场强度可降低表面张力，而改变电场极性并不影响表面张力。类似地，Morimoto和Saheki测量了真空中油滴的表面张力，指出油滴质量随电场强度增大而减小，并给出表面张力与电荷间的关系；他们认为电场力和表面电荷是促使表面张力降低的原因。Sato等采用振荡射流法，向平行电极板中喷射液滴进而测量了表面张力变化，通过对多种液体的比较发现，除液体自身物理性质外，外加电场对其表面张力也有影响，当电导率>10-2S/m时，表面张力与电压平方成反比，并推测液体表面存在的表面电荷是表面张力降低的原因。上述实验结果均表明气液界面上的表面张力随电场强度增大而减小。然而，采用轴对称液滴形状分析法的Bateni等则得到与Sato等相反的结果，认为电场促使液滴表面张力增大。而对于外加电场对表面张力影响的理论研究报道较少。Liggieri等通过理论分析，认为静电场中表面无自由电荷时液体表面张力的变化与受磁场作用时相似，场强较小时的影响极小，只有电场场强极大时才能在实验中检测到表面张力变化。

上述研究表明，电场强度对表面张力的影响大致分为表面张力随电场强度提高而减小、增大和不变等三种情形。而目前对于受电场作用时的液滴运动的理论研究中，均假设表面张力不受电场影响，即表面张力不变，进而模拟其运动特征；这显然与上述多数实验所得结论明显不符，也不能准确反映电场对液滴运动的影响。为此，本文基于实验研究结果，建立表面张力与电场强度间的关系式，推导电场作用下描述液滴运动过程的演化方程，采用数值模拟获得不同电场情形下的液滴运动行为，进而分析因电场作用带来的表面张力变化对液滴运动特征的影响。

图1平整基底上液滴的铺展示意图

结论

(1)两极板间的液滴铺展过程与不同类型电势的作用密切相关，因电场作用改变的表面张力对液滴运动过程的影响总趋势大体相同，但最大液膜厚度hmax和铺展半径xd的变化速率明显不同。施加均匀电势和线性电势时，均不改变液滴铺展的抛物线外形，但当表面张力受到电场影响而变化时，随比例系数α增大，施加均匀电势时，最大液膜厚度hmax减小，铺展半径xd增大，液滴铺展进程加快；施加线性电势时最大液膜厚度hmax先减小后略有增大，铺展半径xd增大。上述情况产生原因可归结于，表面张力的变化改变了液滴表面电荷分布，对液滴铺展造成的影响。

(2)施加非线性电势Φ=Acos(kx)和Φ=1+e-x2/2时，随比例系数α增大，最大液膜厚度hmax减小，铺展半径xd增大外，液膜中心出现的凹坑时间也随之变长，延缓铺展进程，减小破断的可能性；而且通过施加合适的指数形式电势时，可控制液滴的破裂过程。对于文中讨论的4种类型电势，提高电场强度，液滴铺展过程中hmax与xd相对于表面张力不受电场影响时所产生的变化量增大。液滴运动过程，受表面张力变化影响最大的是线性电势，最小的为指数电势。