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  液體的定向輸運在無動力液體輸送、制備單向閥裝置等方面具有廣泛的應用前景。研究人員通過改變表面的化學成分和多尺度結構特征，結合表面能和拉普拉斯壓力梯度的影響，制備了各向異性浸潤性表面，并使其具有快速、連續的自主性單向輸水性能。但是，基于各向異性微結構的排列實現對液體運輸方向的調控仍具有一定的挑戰。

  針對這些問題，田東亮副教授課題組提出了一種通過調整各向異性微結構的排列方式控制液體傳輸方向的策略，并通過溫度響應材料修飾實現了表面液體浸潤方向動態調控，同時揭示了其作用機理。

  該課題組制備了一種涂覆著疏水性PMMA膜的各向異性V陣列（PMMA-VPM），與親水性PVA膜相比，疏水性PMMA膜可以增強V陣列的各向異性潤濕和穩定性。通過改變V陣列的排列參數：平行和交錯結構，可以在+X或-X方向上對液滴進行定向可控的浸潤（圖1）。

圖1. 各向異性的V陣列(VPM)表面對液滴的定向浸潤。(a) 涂覆PMMA膜和PVA膜的VPM表面制備示意圖。(b-i) 不同結構VPM表面的浸潤行為：(b-e)平行結構和(f-i)交錯結構的示意圖、SEM圖像、涂覆PMMA膜和涂覆PVA膜的接觸角(CA)照片。

  在PMMA-VPM表面進一步加入溫度響應分子PNIPAAm，構建了溫度響應VPM（PMMA/PNIPAAm/TiO₂-VPM）表面。通過改變溫度成功控制了浸潤方向：液滴在15℃時（T<T_LCST）呈現親水雙向浸潤，在55℃時（T>T_LCST）呈現疏水單向浸潤（圖2）。基于溫度響應VPM表面的各向異性浸潤，進一步研究了其液體的動態浸潤行為（圖3）。可以發現，通過調節溫度可以切換液體的各向異性和各向同性浸潤，從而調節液體的運動方向。基于以上特性，在溫度響應VPM表面設計了微流體通道，實現了不同溫度下對液體的單向和雙向輸運（圖4）。

圖2. 溫度響應VPM（PMMA/PNIPAAm/TiO₂-VPM）表面對液滴的可控浸潤。不同溫度下，溫度響應VPM表面的(a, b)SEM圖、(c,d)示意圖及CA照片。表明液滴在15℃時是親水的雙向浸潤，在55℃時是疏水的單向浸潤。

圖3. 不同溫度下，溫度響應VPM表面的動態浸潤行為。(a,b)平行結構。(c,d)交錯結構。當55℃時, 液體在(a)平行和(c)交錯結構VPM表面呈現方向相反的各向異性潤濕。當15℃時，液體在(b)平行和(d)交錯結構的VPM表面都呈現各向同性潤濕。

圖4. 溫度響應VPM表面在微流體通道中的定向液體輸運。(a,b) 平行結構。液體在55℃時沿+X方向單向輸運，在15℃時變為雙向輸運。(c,d) 交錯結構。液體在55℃時沿-X方向單向輸運，在15℃時變為雙向輸運。結果表明，當VPM表面以不同方式排列，T<T_LCST時液體呈現雙向輸運（+X和-X方向），T>T_LCST時液體呈現單向輸運（+X或-X方向）。

  該研究重要意義在于，在排列方式可調的溫度響應VPM表面，實現了可切換方向的液體輸運。結果表明，通過改變V陣列的結構參數，可以控制液滴的浸潤方向（+X或-X方向）。同時還可以通過調整溫度來控制液滴的單向和雙向輸運（+X/-X和±X方向）。這項工作在機械工程領域，如在非動力輸送系統、自動潤滑、生命流體醫療器械等微流控設備中具有廣闊的應用前景。

  以上相關成果發表在ACS NANO (10.1021/acsnano.9b09137)上。論文的第一作者為北京航空航天大學化學學院博士生張秋雅，通訊作者為田東亮副教授。

  相關進展https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09137