液滴自輸表面可在不需外部供能（如光、電、磁等）的條件下實現(xiàn)液體在表面的定向輸運，在微流控、生物分析、微反應(yīng)器、表面防污等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有自輸運表面在液體輸運過程中會產(chǎn)生肉眼不可見的微觀液體殘留，即在輸運軌道上會留下大量的微米或納米尺度的微液滴。這些微液滴殘留不僅引起液體輸運過程中的質(zhì)量損失，而且會導致表面污染失效，嚴重限制了自輸運表面的實際應(yīng)用。因此，關(guān)于微液滴殘留的形成機理及抑制策略亟待研究。
針對上述問題，中山大學材料科學與工程學院田雪林教授課題組基于微納加工方法制備了具有梯度陣列結(jié)構(gòu)的液體自輸運表面，并系統(tǒng)調(diào)查一系列不同表面張力和粘度的液體在表面的輸運行為。研究發(fā)現(xiàn)，微觀液體殘留的形成并非前人所報道的表面接觸角滯后效應(yīng)所導致；該殘留實際上是一個動態(tài)潤濕現(xiàn)象，當液體的運動速率超過某一臨界值時，其局部動態(tài)后退角會消失并在液體后退端產(chǎn)生一層薄夾帶液膜，該液膜由于瑞利破裂進而形成微觀殘留導致輸運損失。通過深入分析，田雪林教授課題組進一步提出了實現(xiàn)液體無損輸運的準則，指出毛細數(shù)Ca(正比于液體的黏度及運動速率反比于液體的表面張力）、液滴在表面的本征后退角qR,0，以及固液界面的滑移長度Yw是決定微液滴殘留形成與否的關(guān)鍵參數(shù)。只有當Ca/qR,03 小于特定臨界值時，微觀液體殘留才能被抑制，該特定臨界值取決于界面滑移長度Yw和體系的邊界條件。
此外，研究還發(fā)現(xiàn)，具有低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的“類液體”高分子刷修飾的自輸運表面可有效抑制微觀液體殘留的形成！邦愐后w”高分子刷一方面可降低表面的本征后退角，另一方面可通過界面潤滑作用來增加滑移長度，兩者共同作用可以顯著提高表面形成微觀液體殘留的臨界毛細數(shù)。因此，接枝“類液體”高分子刷為抑制表面微液滴殘留實現(xiàn)無損液體輸運提供了一種有效策略。
表面液體輸運過程中微觀殘留的形成機制及抑制策略
相關(guān)研究成果以題目為“Lossless Fast Drop Self-Transport on Anisotropic Omniphobic Surfaces: Origin and Elimination of Microscopic Liquid Residue”于2019年5月8日在線發(fā)表在材料學國際著名期刊Advanced Materials (Adv. Mater. 2019, 1901417，影響因子：21.950)。該工作也得到了審稿人的高度評價，其中一審稿人評論該研究“is a very important milestone to the field of liquid transport”。課題組黃世琳副研究員為論文第一作者，田雪林教授為通訊作者。課題組前特聘研究員李娟博士（目前已調(diào)離中山大學任廣東省科學院“百人計劃”研究員）為論文共同通訊作者。
上述研究工作得到國家自然科學基金、青年千人計劃、“珠江人才”計劃、廣東省自然科學基金等項目和光電材料與技術(shù)國家重點實驗室的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901417
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