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中科院深圳先進(jìn)院杜學(xué)敏/港城大王鉆開(kāi)《Sci. Adv.》：光誘導(dǎo)帶電潤(rùn)滑表面
2022-07-09  來(lái)源：高分子科技

  表面無(wú)處不在，其為生命物質(zhì)和非生命物質(zhì)的質(zhì)量與能量交換提供了獨(dú)特的界面。過(guò)去十多年，作為兩種典型的界面材料——潤(rùn)滑表面與超疏表面，在自清潔、液滴冷凝、防冰與防污等領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。與超疏表面不同的是，潤(rùn)滑表面通過(guò)潤(rùn)滑層的設(shè)計(jì)以取代超疏表面的微氣孔，便引入如自愈合、防冰、防揮發(fā)等新功能。然而，潤(rùn)滑層的引入也同樣帶來(lái)新的問(wèn)題：一方面，潤(rùn)滑層的存在會(huì)導(dǎo)致固體表面的結(jié)構(gòu)梯度或電荷梯度被屏蔽，使得通過(guò)表面梯度操控液體面臨挑戰(zhàn)；另一方面，潤(rùn)滑層的存在也使得通過(guò)外場(chǎng)主動(dòng)操控液體變得困難。這些問(wèn)題極大制約了潤(rùn)滑表面的液滴操控及其實(shí)際應(yīng)用。


  7月9日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授團(tuán)隊(duì)合作，構(gòu)建了一種基于智能高分子材料的新型潤(rùn)滑表面——LICS（light-induced charged slippery surface），通過(guò)智能高分子材料的光熱誘導(dǎo)表面電荷高效、持續(xù)、穩(wěn)定再生能力，能有效消除潤(rùn)滑層對(duì)表面電荷的屏蔽效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)液滴高速、長(zhǎng)距離、反重力、簡(jiǎn)單液體到復(fù)雜液體、單個(gè)到多個(gè)液滴、微觀到宏觀尺度液滴、平面到曲面基底、開(kāi)放到封閉體系的精準(zhǔn)操控，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)封閉體系下凝血檢測(cè)、原位細(xì)胞刺激與細(xì)胞響應(yīng)監(jiān)測(cè)等生物應(yīng)用。



  與傳統(tǒng)潤(rùn)滑表面不同的是，LICS由三種核心元素組成：具有優(yōu)異光熱效應(yīng)的液態(tài)金屬顆粒（LMPs），和具有獨(dú)特鐵電效應(yīng)的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）聚合物——兩者協(xié)同能將光熱轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻骐姾桑坝糜阪i住潤(rùn)滑層的噴涂有疏水二氧化硅納米顆粒的微錐陣列結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類液體如水、乙二醇、聚苯乙烯乳液、血液等在其表面均有較小的接觸角滯后（< 2°）；在移動(dòng)的近紅外光照射下（808 nm），LICS實(shí)現(xiàn)液滴高速（平均速度：18.5 mm/s）、長(zhǎng)距離、反重力運(yùn)動(dòng)。 


圖1. LICS設(shè)計(jì)。


  卓越的液滴操控效果源于LICS 優(yōu)異的電荷再生能力。得益于液態(tài)金屬顆粒高效光熱和導(dǎo)熱性能、聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物的獨(dú)特鐵電效應(yīng)，及兩者之間優(yōu)異的界面親和性，LICS在0.5 s的近紅外光輻照下（100 mW/mm2），即可產(chǎn)生表面電荷密度高達(dá)1280 pC/mm2，而且電荷再生性能在持續(xù)10000次近紅外光開(kāi)/關(guān)循環(huán)或浸泡在硅油中長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月均無(wú)明顯衰減。 


圖2. LICS電荷再生。


  LICS的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑表面全新的液滴操控效果。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)單束激光能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三顆液滴（2 μL）集體定向、精準(zhǔn)融合；LICS還能有效貼合在曲面基底上，實(shí)現(xiàn)曲面上液滴的操控與融合；此外，LICS還可以用于高粘度液體——2.0 wt%海藻酸鈉與0.9 M氯化鈣液滴的操控、融合，并組裝成特定形貌水凝膠。LICS卓越的液滴操控特性還可拓展到以固體石蠟為潤(rùn)滑層的潤(rùn)滑表面，利用固體石蠟的溫度變化觸發(fā)可逆液-固相轉(zhuǎn)變，同樣可以實(shí)現(xiàn)液滴在水平與垂直LICS上的操控。 


圖3. LICS在開(kāi)放體系下的液滴操控。


  基于LICS的柔性與共形特性，LICS還可以封裝成密閉的微流控芯片。利用手持激光筆即可實(shí)現(xiàn)LICS芯片內(nèi)的液滴快速、精準(zhǔn)穿越迷宮。LICS芯片內(nèi)的無(wú)接觸、遠(yuǎn)程光驅(qū)動(dòng)液滴功能，既能防液滴揮發(fā)，又無(wú)需在液滴中添加輔助液滴運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，避免了交叉污染，在凝血檢測(cè)等生物應(yīng)用方面展現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性；此外，利用LICS實(shí)時(shí)光熱誘導(dǎo)表面電荷產(chǎn)生特性，還成功實(shí)現(xiàn)了LICS芯片內(nèi)的細(xì)胞實(shí)時(shí)刺激與細(xì)胞響應(yīng)原位監(jiān)測(cè)。 


圖4. LICS在封閉體系下的生物應(yīng)用。


  該研究成果以“Light-induced charged slippery surfaces”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Science Advances》上，該論文第一作者是中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士后王芳、劉美金，論文通訊作者為中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院杜學(xué)敏研究員、香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授。該工作還獲得了中國(guó)科技大學(xué)梁好均教授、初寶進(jìn)教授，南京大學(xué)蔣錫群教授的幫助。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、深圳市學(xué)科布局等科技項(xiàng)目資助。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp9369

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