自然界中许多生物表面都呈现出图案化的阵列结构,不同的形状、尺寸、间距及排列方式等使得动/植物表面表现出各种奇特的润湿特性,例如超疏水性、超亲水性、各向异性润湿性、定向润湿性等。近年来,受动植物表面阵列结构及其润湿特性的启发,借助于先进的仿生制备技术,人工制备的图案化阵列表面也呈现出多样润湿性并被广泛应用于日常生活及工农生产业中,例如自清洁、流体控制、防结冰以及微流控等诸多领域。本文从梯度表面液滴定向润湿的机理及应用的角度出发,以图案化阵列梯度表面为研究对象,从理论和实验两方面对液滴在其表面的润湿状态、定向润湿行为及其在微流控器件中的应用进行了系统的研究。本文的主要研究成果如下:(1)结合理论和实验研究分析了不同表面张力的液滴在阵列梯度表面能够发生定向润湿的初始条件。设计了五种图案化的亲疏水阵列梯度表面,预测了不同表面张力液滴能够自发定向传输的距离,然后通过实验对预测结果进行了验证。利用不同表面张力液滴在阵列梯度表面定向润湿的差异性,将阵列梯度应用到开放式微流控器件中去,制备出了一种“医用酒精检测计”,用以快速而简便地确定医用酒精的应用范围。(2)从理论上分析了亲水单元形状变化对各向异性润湿的影响,并从驱动力的角度出发,解释了为何液滴在各向异性阵列梯度表面的定向传输距离比在各向同性阵列梯度表面的定向传输距离大并通过实验进行了验证。提出一种将形状梯度与阵列梯度结合的复合梯度,利用实验结果证明了其比单纯的各向异性的条带状阵列梯度表面能够更加有效地提升液滴的传输距离。最后,利用形状梯度、阵列梯度及复合梯度的差异性设计并制备出了基于这三种梯度的“分流器”并实现了较好的分流效果。(3)以非对称的弯柱子阵列梯度作为研究对象,从理论上分析了液滴在弯柱子阵列梯度表面的润湿状态,其次研究了液滴在其表面能够发生定向铺展的判据以及结构尺寸和倾斜程度对其产生的影响。从前进角和后退角入手分析了液滴为何会优先在沿着倾斜方向铺展的机理。通过实验成功制备出了弯柱子阵列梯度表面并利用多种化学改性的方法实现了对传输速度和传输距离的提升。(4)基于前面的机理分析,将阵列梯度的定向润湿性应用到纸基微流控中去,并结合楔形流道构造与微纳复合结构表面,从而使得流道内外的亲疏水性差异加大,防止液滴扩散到流道外,解决精度不足的问题。研究了楔形角和阵列梯度的变化对液滴传输的影响并分析了流道的几何构型对液滴传输的影响,为该类型的纸基微流控芯片的设计原则提供依据。将阵列梯度纸基微流控芯片应用于葡萄糖浓度的微检测及微混合器,实现了初步的微流控器件应用。综上所述,阵列梯度对于表面定向润湿具有十分重要的影响,本论文的理论及实验结果对其在微流控、医疗快速诊断、环境检测、食品的安全检测及微流体混合等诸多领域的应用都有很好的理论指导及实验借鉴意义。