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南航張浩然/潘蕾課題組 JCIS：傾斜表面上的光驅(qū)動(dòng)液滴爬升與自發(fā)固定

2025-03-26 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：傾斜表面光驅(qū)動(dòng) 液滴爬升自發(fā)固定

液滴在固體表面的精準(zhǔn)操控是微流控芯片、霧水收集、生化檢測(cè)等領(lǐng)域的核心技術(shù)。傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑注入多孔表面（SLIPS）雖能通過(guò)減小阻力實(shí)現(xiàn)液滴爬坡，但因表面粘附力過(guò)低（滾動(dòng)角<5°）導(dǎo)致兩大難題：1) 液滴運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性差，易受環(huán)境振動(dòng)干擾；2) 液滴無(wú)法自發(fā)固定，外界能量中斷即發(fā)生滑落。如何實(shí)現(xiàn)液滴在斜面上的可控運(yùn)動(dòng)與自發(fā)固定，成為制約該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

南京航空航天大學(xué)張浩然副教授、潘蕾教授課題組報(bào)道了一種可控潤(rùn)滑劑注入的褶皺表面，利用潤(rùn)滑劑“半覆蓋/半暴露”褶皺結(jié)構(gòu)調(diào)控表面粘附力，首次實(shí)現(xiàn)了液滴在斜面上的光驅(qū)動(dòng)爬升與自發(fā)固定。在紅外光驅(qū)動(dòng)下，液滴可在>15°斜面上向上運(yùn)動(dòng)；無(wú)紅外光照時(shí)，液滴可自發(fā)固定在斜面上，滾動(dòng)角達(dá)50°。該工作揭示了“液滴-潤(rùn)滑劑-固體褶皺”三相界面處的液滴釘扎與驅(qū)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了水、油等多種液滴在斜面或曲面上的復(fù)雜操控，提高了液滴操控技術(shù)的適用性和應(yīng)用潛力。

該成果以"Controllable lubricant-infused wrinkled surface for light-manipulated droplet climbing/pinning on inclined surfaces"為題，于2025年3月21日發(fā)表于Journal of Colloid and Interface Science（中科院大類(lèi)1區(qū)，IF=9.4）。本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金支持，南京航空航天大學(xué)碩士研究生張超恒為論文第一作者，張浩然副教授為通訊作者。

首先，利用熱縮法制備起伏高度可調(diào)的PS-Au褶皺結(jié)構(gòu)，再通過(guò)模板復(fù)制法轉(zhuǎn)移到Fe₃O₄/PDMS薄膜上，F(xiàn)e₃O₄微米顆粒的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)可使薄膜表面局部區(qū)域在紅外光照射下幾秒內(nèi)升溫至160 ℃。隨后，在Fe₃O₄/PDMS褶皺表面注入一定量的潤(rùn)滑劑，獲得可控潤(rùn)滑劑注入的褶皺表面（Controllable lubricant-infused wrinkled surface，CLWS）。該CLWS表面的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于精確控制褶皺結(jié)構(gòu)起伏高度和潤(rùn)滑劑注入量的匹配關(guān)系，使表面褶皺結(jié)構(gòu)處于被潤(rùn)滑劑“半覆蓋/半暴露”狀態(tài)。由此，表面上的液滴可同時(shí)接觸潤(rùn)滑劑層以及褶皺凸起部分，從而獲得合適的粘附力。無(wú)光照條件下，褶皺凸起結(jié)構(gòu)可使液滴牢固釘扎在傾斜表面上，最大滾動(dòng)角可達(dá)50°；當(dāng)外界紅外激光照射在液滴一側(cè)時(shí)，產(chǎn)生“光-熱-流體運(yùn)動(dòng)”多場(chǎng)耦合效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)液滴在斜面上爬升，最大爬坡角可達(dá)15°以上。分析液滴爬升機(jī)理：一方面，局部光照升溫引起液滴內(nèi)部的馬蘭戈尼流（Marangoni flow），提供液滴向上運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，馬蘭戈尼效應(yīng)使?jié)櫥瑒┫蛲鈹U(kuò)散，引起液滴下方潤(rùn)滑劑富集，減小液滴運(yùn)動(dòng)阻力。當(dāng)馬蘭戈尼驅(qū)動(dòng)力大于表面阻力以及液滴重力分量時(shí)，液滴便可沿斜面向上爬升。該機(jī)理適用于包括水、乙二醇和甘油在內(nèi)的各種液滴，可實(shí)現(xiàn)斜面或曲面上液滴定向移動(dòng)、“Z”字形轉(zhuǎn)向以及多液滴融合等多種復(fù)雜操控。該技術(shù)突破有望為智能微流控系統(tǒng)、精準(zhǔn)給藥裝置、自清潔表面等領(lǐng)域的器件設(shè)計(jì)提供全新思路。