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南航張浩然/潘蕾課題組 JCIS:傾斜表面上的光驅動液滴爬升與自發固定
2025-03-26  來源:高分子科技

  液滴在固體表面的精準操控是微流控芯片、霧水收集、生化檢測等領域的核心技術。傳統潤滑劑注入多孔表面(SLIPS)雖能通過減小阻力實現液滴爬坡,但因表面粘附力過低(滾動角<5°)導致兩大難題:1) 液滴運動穩定性差,易受環境振動干擾;2) 液滴無法自發固定,外界能量中斷即發生滑落。如何實現液滴在斜面上的可控運動與自發固定,成為制約該技術應用的關鍵挑戰。


  南京航空航天大學張浩然副教授、潘蕾教授課題組報道了一種可控潤滑劑注入的褶皺表面,利用潤滑劑“半覆蓋/半暴露”褶皺結構調控表面粘附力,首次實現了液滴在斜面上的光驅動爬升與自發固定。在紅外光驅動下,液滴可在>15°斜面上向上運動;無紅外光照時,液滴可自發固定在斜面上,滾動角達50°。該工作揭示了“液滴-潤滑劑-固體褶皺”三相界面處的液滴釘扎與驅動機理,實現了水、油等多種液滴在斜面或曲面上的復雜操控,提高了液滴操控技術的適用性和應用潛力。

  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日發表于Journal of Colloid and Interface Science(中科院大類1區,IF=9.4)。本研究獲得國家自然科學基金支持,南京航空航天大學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的PS-Au褶皺結構,再通過模板復制法轉移到Fe3O4/PDMS薄膜上,Fe3O4微米顆粒的光熱轉換效應可使薄膜表面局部區域在紅外光照射下幾秒內升溫至160 ℃。隨后,在Fe3O4/PDMS褶皺表面注入一定量的潤滑劑,獲得可控潤滑劑注入的褶皺表面(Controllable lubricant-infused wrinkled surface,CLWS)。該CLWS表面的設計關鍵在于精確控制褶皺結構起伏高度和潤滑劑注入量的匹配關系,使表面褶皺結構處于被潤滑劑“半覆蓋/半暴露”狀態。由此,表面上的液滴可同時接觸潤滑劑層以及褶皺凸起部分,從而獲得合適的粘附力。無光照條件下,褶皺凸起結構可使液滴牢固釘扎在傾斜表面上,最大滾動角可達50°;當外界紅外激光照射在液滴一側時,產生“光-熱-流體運動”多場耦合效應,驅動液滴在斜面上爬升,最大爬坡角可達15°以上。分析液滴爬升機理:一方面,局部光照升溫引起液滴內部的馬蘭戈尼流(Marangoni flow),提供液滴向上運動的驅動力;另一方面,馬蘭戈尼效應使潤滑劑向外擴散,引起液滴下方潤滑劑富集,減小液滴運動阻力。當馬蘭戈尼驅動力大于表面阻力以及液滴重力分量時,液滴便可沿斜面向上爬升。該機理適用于包括水、乙二醇和甘油在內的各種液滴,可實現斜面或曲面上液滴定向移動、“Z”字形轉向以及多液滴融合等多種復雜操控。該技術突破有望為智能微流控系統、精準給藥裝置、自清潔表面等領域的器件設計提供全新思路。


圖1. Fe3O4/PDMS薄膜可控潤滑劑注入表面(CLWS)的制備與表征。


圖2. CLWS傾斜表面上光驅動液滴爬升與自發固定。


圖3. CLWS表面褶皺結構與潤滑劑覆蓋程度調控。


圖4. 褶皺結構與潤滑劑注入量對液滴爬坡/固定性能的影響。


圖5. CLWS表面上不同液滴的復雜操控示例。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.137367

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(責任編輯:xu)
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