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  液滴的定向輸運(yùn)在水收集、納米反應(yīng)器等方面具有重要應(yīng)用。眾所周知，液體在固體表面的浸潤(rùn)行為主要受表面化學(xué)組成和微納結(jié)構(gòu)兩方面的影響。因此，構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)/化學(xué)組成的各向異性基底是實(shí)現(xiàn)液滴定向輸運(yùn)的有效策略。然而，在此類基底上實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的液滴可編程輸運(yùn)（如自動(dòng)轉(zhuǎn)彎）仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，其主要原因是液滴滾動(dòng)角和接觸角的矛盾。一方面，實(shí)現(xiàn)液滴滾動(dòng)要求增大接觸角，以減小滾動(dòng)角；另一方面，液滴的可控運(yùn)動(dòng)要求減小液滴接觸角，以增強(qiáng)基底對(duì)液滴的控制能力。

  面對(duì)這一挑戰(zhàn)，杭州師范大學(xué)由吉春教授課題組在具有蜂巢結(jié)構(gòu)（Breath Figure方法構(gòu)建）的聚乳酸薄膜上，基于其形狀記憶特性，通過單軸拉伸系統(tǒng)調(diào)控了孔的幾何形狀及液滴的各向異性浸潤(rùn)行為，并實(shí)現(xiàn)了液滴的自動(dòng)轉(zhuǎn)彎（圖1）。具體而言，在較低拉伸比下，拉伸方向與垂直于拉伸方向的接觸角差異過小，液滴在重力作用下豎直滾動(dòng)（圖1a）。隨著拉伸比的提高，強(qiáng)烈拉伸的微納圖案導(dǎo)致液滴沿拉伸方向的接觸角降低，從而增強(qiáng)了液滴與固體基底的接觸，提高了對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)的控制能力，在適宜拉伸比下，可實(shí)現(xiàn)液滴沿指定方向的自動(dòng)轉(zhuǎn)彎（圖1b）。它們之間可逆轉(zhuǎn)化可以通過形狀記憶效應(yīng)在單軸拉伸和回復(fù)的過程中實(shí)現(xiàn)。

圖1 液滴在各向同性、各向異性表面輸運(yùn)的模型示意圖

  通過Breath Figure方法，研究者成功制備了具有六方堆積的表面多孔結(jié)構(gòu)（圖2a）。因聚乳酸中的微晶/無定形網(wǎng)絡(luò)的存在，該多孔膜具有良好形狀記憶性能。如圖2紅色箭頭所示，通過單軸拉伸（高溫）和固定（低溫），孔結(jié)構(gòu)從圓形變?yōu)殚L(zhǎng)條性；經(jīng)熱刺激和回復(fù)作用，上述孔結(jié)構(gòu)可以回復(fù)至初始狀態(tài)（如圖2藍(lán)色箭頭所示）。在拉伸與回復(fù)過程中，通過拉伸比可以精確控制孔結(jié)構(gòu)及其長(zhǎng)徑比。

圖2 聚乳酸膜在不同比例拉伸下的SEM和AFM圖

  在上述多孔膜表面，當(dāng)宏觀拉伸比例大于1時(shí)，液滴在其表面呈現(xiàn)橢球形（示意圖與實(shí)物俯視圖分別如圖3a和b所示），隨著拉伸比的提高，兩個(gè)方向接觸角的差異拉大（如圖3c-3e所示），在DR=2.4時(shí)，其差值接近40°（圖3c，3e）。 

圖3拉伸膜表面浸潤(rùn)性的各向異性示意圖（a）、膜浸潤(rùn)性的各向同性，各向異性接觸角（b）、拉伸膜表面浸潤(rùn)性的宏觀圖（c）、膜浸潤(rùn)性的各向異性隨著拉伸比的變化圖（d）、聚乳酸膜形狀記憶性能的測(cè)試（e）

  將上述具有取向結(jié)構(gòu)（拉伸比為2.4）的多孔膜傾斜放置，液滴沿著其微觀結(jié)構(gòu)方向滾動(dòng)（而不是沿重力方向，視頻1）。為考察其自動(dòng)轉(zhuǎn)彎能力，研究者將兩張膜以一定的角度組合在一起（如視頻2右上角插圖所示），在該V型膜表面，成功實(shí)現(xiàn)了液滴的自動(dòng)轉(zhuǎn)彎（視頻2）。該工作闡明了接觸角在液滴可編程輸運(yùn)中的核心作用，所得結(jié)果在微流體控制以及納米反應(yīng)器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

  以上研究成果近期以“Switchable Isotropic/Anisotropic Wettability and Programmable Droplet Transportation on Shape-memory Honeycomb”為題發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces。該工作的第一作者為杭州師范大學(xué)碩士生張良，通訊作者為杭州師范大學(xué)由吉春教授，該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金(51973048)的支持。

  相關(guān)進(jìn)展：https://doi.org/10.1021/acsami.0c11224