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  液滴的定向輸運在水收集、納米反應器等方面具有重要應用。眾所周知，液體在固體表面的浸潤行為主要受表面化學組成和微納結構兩方面的影響。因此，構建微納結構/化學組成的各向異性基底是實現(xiàn)液滴定向輸運的有效策略。然而，在此類基底上實現(xiàn)更加復雜的液滴可編程輸運（如自動轉彎）仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，其主要原因是液滴滾動角和接觸角的矛盾。一方面，實現(xiàn)液滴滾動要求增大接觸角，以減小滾動角；另一方面，液滴的可控運動要求減小液滴接觸角，以增強基底對液滴的控制能力。

  面對這一挑戰(zhàn)，杭州師范大學由吉春教授課題組在具有蜂巢結構（Breath Figure方法構建）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)調控了孔的幾何形狀及液滴的各向異性浸潤行為，并實現(xiàn)了液滴的自動轉彎（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（圖1a）。隨著拉伸比的提高，強烈拉伸的微納圖案導致液滴沿拉伸方向的接觸角降低，從而增強了液滴與固體基底的接觸，提高了對液滴運動的控制能力，在適宜拉伸比下，可實現(xiàn)液滴沿指定方向的自動轉彎（圖1b）。它們之間可逆轉化可以通過形狀記憶效應在單軸拉伸和回復的過程中實現(xiàn)。

圖1 液滴在各向同性、各向異性表面輸運的模型示意圖

  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構（圖2a）。因聚乳酸中的微晶/無定形網(wǎng)絡的存在，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），孔結構從圓形變?yōu)殚L條性；經(jīng)熱刺激和回復作用，上述孔結構可以回復至初始狀態(tài)（如圖2藍色箭頭所示）。在拉伸與回復過程中，通過拉伸比可以精確控制孔結構及其長徑比。

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

圖3拉伸膜表面浸潤性的各向異性示意圖（a）、膜浸潤性的各向同性，各向異性接觸角（b）、拉伸膜表面浸潤性的宏觀圖（c）、膜浸潤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試（e）

  將上述具有取向結構（拉伸比為2.4）的多孔膜傾斜放置，液滴沿著其微觀結構方向滾動（而不是沿重力方向，視頻1）。為考察其自動轉彎能力，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，成功實現(xiàn)了液滴的自動轉彎（視頻2）。該工作闡明了接觸角在液滴可編程輸運中的核心作用，所得結果在微流體控制以及納米反應器等方面具有廣闊的應用前景。

  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碩士生張良，通訊作者為杭州師范大學由吉春教授，該工作獲得了國家自然科學基金(51973048)的支持。

  相關進展：https://doi.org/10.1021/acsami.0c11224