具有微納結(jié)構(gòu)的表面對許多植物和昆蟲在自然界中的生存起到了關(guān)鍵作用。例如，各向異性表面可以使液滴沿著蝴蝶翅膀向外滾落，水黽可以在水面上行走，植物可以捕獲花粉和昆蟲。通過模仿自然界動植物表面，多種具有各項異性潤濕性的工程材料為智能微流控，綠色印刷，自清潔涂層，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域做出了積極貢獻。但是，很多材料表面性質(zhì)的動態(tài)變化通常需要是非原位實現(xiàn)的，限制了它們的潛在應(yīng)用。除此之外，目前大部分表面雖然可以用于液滴轉(zhuǎn)移，但卻缺乏分析液滴特性并分類的能力。
眾所周知，荷葉由于其表面均勻的植物蠟和獨特的乳突結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)各向同性超疏水性；蝴蝶翅膀的微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其翅脈正向和逆向方向的滾動角存在差異而呈現(xiàn)潤濕性的各向異性。武漢大學(xué)薛龍建教授課題組（NISE-Lab）結(jié)合荷葉與蝴蝶翅膀潤濕性的特點，設(shè)計出一種仿生智能表面（簡稱TMAS），如圖1：借助于機械應(yīng)力，它具有原位可逆操作水滴的能力，并能區(qū)分液體的酸性/堿性以及酸堿強度。
圖1 由（A）各向同性超疏水荷葉和（B）各向異性潤濕性蝴蝶翅膀啟發(fā)的（C）智能表面TMAS
TMAS是通過在預(yù)先拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上接枝三角形微柱陣列而成。調(diào)節(jié)PDMS薄膜中應(yīng)力的施加方向及大小，可獲得不同排列方式的三角形微柱狀陣列，如“首尾相連”和“肩并肩”等（圖二）。由于三角形本身形狀的各向異性，他們定義了A和E兩個方向。當(dāng)y方向的周期（Py）由40μm增至51 μm時，A和E方向的滾動角都有緩慢增加的趨勢，但A和E方向上的滾動角無顯著性差異，呈現(xiàn)類似荷葉的各向同性潤濕性行為。當(dāng)Py由40μm 減小至24 μm時，A和E方向的滾動角顯著增加，尤其是E方向，旋轉(zhuǎn)至180o, 液滴也不會滾落，呈現(xiàn)類似蝴蝶翅膀的各向異性潤濕（各向異性度ΔSA=258.3± 2.5°）。對于其他形狀的微柱設(shè)計，例如，圓形、正方形和正六邊形，則無法獲得各向同性/各向異性潤濕性狀態(tài)的自由轉(zhuǎn)換。
圖2 （A）“首尾相連”TMAS，（B）“肩并肩”TMAS，（C）滾動方向及滾動角定義（SA），（D）y方向上，SAA和SAE隨陣列周期（Py）的變化規(guī)律，（E）不同形狀微柱設(shè)計的各向異性度ΔSA隨Py的變化規(guī)律
TMAS能夠?qū)崿F(xiàn)各向異性是由于A和E方向上三相線（TCL）的差異。當(dāng)Py=24 μm時，連續(xù)性TCLE的能壘大于離散式TCLA。液滴滾向A方向時，由于TCLE的強釘扎力，液滴后退角處的TCL被牢牢釘住，使得液滴無法滾動。轉(zhuǎn)換方向朝E滾動時，后退角處為TCLA，釘扎力弱，液滴在重力作用下嚴(yán)重變形，當(dāng)達到某一傾角時即可滾落。從A方向無法滾落到E方向易滾落的整個過程中，液滴始終處于Cassie狀態(tài)，實現(xiàn)了由強黏附到易滾落狀態(tài)的原位轉(zhuǎn)換。
基于原位轉(zhuǎn)換特性，TMAS表現(xiàn)出強大的液滴運輸能力。在運輸過程中，TMAS可以從不同的傾斜角度抓取液滴，并通過向E方向旋轉(zhuǎn)釋放液滴。不同的拉伸應(yīng)變，TMAS可運輸不同體積的液滴（從2到12 μL）。同時利用A方向上的強黏附力，TMAS除了可以將液滴運輸?shù)揭粋水平表面，還可以將其運輸?shù)絻A斜的、垂直的，甚至是倒置的表面上，表現(xiàn)出很大的自由度及容差率。
基于機械應(yīng)力可以實時調(diào)控前進角與后退角處三相線形態(tài)，TMAS還具備識別酸堿及檢測液滴pH的優(yōu)異性能。當(dāng)將酸堿液滴置于兩種不同周期的TMAS上并緩慢拉伸時，二者都是酸性液滴先滾落，繼續(xù)拉伸一定程度，堿性液滴才后續(xù)滾落，輕松實現(xiàn)對酸堿的識別。而對于具有不同pH的兩種酸或兩種堿，TMAS也可以實現(xiàn)pH大小的比較。當(dāng)緩慢拉伸TMAS時，強酸和弱堿會優(yōu)先滾落，弱酸與強堿則稍后滾落。
通過結(jié)合蝴蝶翅膀與荷葉潤濕性特點設(shè)計的仿生智能表面實現(xiàn)了瞬時液滴高黏附狀態(tài)與滾動狀態(tài)的原位轉(zhuǎn)換，同時擁有多角度抓取及釋放、識別酸堿及檢測液滴pH的優(yōu)異性能。該工作對新型化學(xué)傳感器的研究提供了新的思路。
上述成果發(fā)表于Advanced Science, 2020, 2001650，論文的第一作者為課題組2017級博士生李倩，通訊作者為薛龍建教授。該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金的支持。
NISE-Lab長期致力于仿生黏附材料（固固界面、固液界面、固液固界面）相關(guān)研究，相關(guān)成果還發(fā)表在Mater. Today 2020, 35, 42；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 19116；Small 2019, 15, 1904248；ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 46337；ACS Nano 2017, 11, 9711；Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1499；Nat. Commun. 2015, 6, 6621；Nano Lett. 2013, 13, 5541等國際頂尖期刊上。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001650
課題組網(wǎng)站：http://niselab.whu.edu.cn/
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