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  液體的定向輸運(yùn)在無(wú)動(dòng)力液體輸送、制備單向閥裝置等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。研究人員通過(guò)改變表面的化學(xué)成分和多尺度結(jié)構(gòu)特征，結(jié)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(rùn)性表面，并使其具有快速、連續(xù)的自主性單向輸水性能。但是，基于各向異性微結(jié)構(gòu)的排列實(shí)現(xiàn)對(duì)液體運(yùn)輸方向的調(diào)控仍具有一定的挑戰(zhàn)。

  針對(duì)這些問(wèn)題，田東亮副教授課題組提出了一種通過(guò)調(diào)整各向異性微結(jié)構(gòu)的排列方式控制液體傳輸方向的策略，并通過(guò)溫度響應(yīng)材料修飾實(shí)現(xiàn)了表面液體浸潤(rùn)方向動(dòng)態(tài)調(diào)控，同時(shí)揭示了其作用機(jī)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(qiáng)V陣列的各向異性潤(rùn)濕和穩(wěn)定性。通過(guò)改變V陣列的排列參數(shù)：平行和交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，可以在+X或-X方向上對(duì)液滴進(jìn)行定向可控的浸潤(rùn)（圖1）。

圖1. 各向異性的V陣列(VPM)表面對(duì)液滴的定向浸潤(rùn)。(a) 涂覆PMMA膜和PVA膜的VPM表面制備示意圖。(b-i) 不同結(jié)構(gòu)VPM表面的浸潤(rùn)行為：(b-e)平行結(jié)構(gòu)和(f-i)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)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(jìn)一步加入溫度響應(yīng)分子PNIPAAm，構(gòu)建了溫度響應(yīng)VPM（PMMA/PNIPAAm/TiO₂-VPM）表面。通過(guò)改變溫度成功控制了浸潤(rùn)方向：液滴在15℃時(shí)（T<T_LCST）呈現(xiàn)親水雙向浸潤(rùn)，在55℃時(shí)（T>T_LCST）呈現(xiàn)疏水單向浸潤(rùn)（圖2）。基于溫度響應(yīng)VPM表面的各向異性浸潤(rùn)，進(jìn)一步研究了其液體的動(dòng)態(tài)浸潤(rùn)行為（圖3）。可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度可以切換液體的各向異性和各向同性浸潤(rùn)，從而調(diào)節(jié)液體的運(yùn)動(dòng)方向。基于以上特性，在溫度響應(yīng)VPM表面設(shè)計(jì)了微流體通道，實(shí)現(xiàn)了不同溫度下對(duì)液體的單向和雙向輸運(yùn)（圖4）。

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

圖3. 不同溫度下，溫度響應(yīng)VPM表面的動(dòng)態(tài)浸潤(rùn)行為。(a,b)平行結(jié)構(gòu)。(c,d)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)55℃時(shí), 液體在(a)平行和(c)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)VPM表面呈現(xiàn)方向相反的各向異性潤(rùn)濕。當(dāng)15℃時(shí)，液體在(b)平行和(d)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的VPM表面都呈現(xiàn)各向同性潤(rùn)濕。

圖4. 溫度響應(yīng)VPM表面在微流體通道中的定向液體輸運(yùn)。(a,b) 平行結(jié)構(gòu)。液體在55℃時(shí)沿+X方向單向輸運(yùn)，在15℃時(shí)變?yōu)殡p向輸運(yùn)。(c,d) 交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。液體在55℃時(shí)沿-X方向單向輸運(yùn)，在15℃時(shí)變?yōu)殡p向輸運(yùn)。結(jié)果表明，當(dāng)VPM表面以不同方式排列，T<T_LCST時(shí)液體呈現(xiàn)雙向輸運(yùn)（+X和-X方向），T>T_LCST時(shí)液體呈現(xiàn)單向輸運(yùn)（+X或-X方向）。

  該研究重要意義在于，在排列方式可調(diào)的溫度響應(yīng)VPM表面，實(shí)現(xiàn)了可切換方向的液體輸運(yùn)。結(jié)果表明，通過(guò)改變V陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以控制液滴的浸潤(rùn)方向（+X或-X方向）。同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)整溫度來(lái)控制液滴的單向和雙向輸運(yùn)（+X/-X和±X方向）。這項(xiàng)工作在機(jī)械工程領(lǐng)域，如在非動(dòng)力輸送系統(tǒng)、自動(dòng)潤(rùn)滑、生命流體醫(yī)療器械等微流控設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。

  以上相關(guān)成果發(fā)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(xué)化學(xué)學(xué)院博士生張秋雅，通訊作者為田東亮副教授。

  相關(guān)進(jìn)展https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09137