表面無損單向液體輸運(yùn)一直是材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)，在微反應(yīng)器、潤滑、噴墨打印、自清潔表面和微流體等領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注。目前研究人員制備了化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)形態(tài)梯度變化的人造各向異性表面，成功地實(shí)現(xiàn)了液滴的定向輸運(yùn)。通常來說，增加表面疏水性，如使用低表面能材料制造疏水表面，可以將空氣困在液滴下方以減少固液接觸面積，即“阻塞”的方法，是表面承受液體壓力的常用策略。而過高的液體壓力容易破壞氣囊，導(dǎo)致表面的高粘性及不穩(wěn)定性。因此，如何形成穩(wěn)定的復(fù)合界面，從而以一種通用的、可行的方式連續(xù)無損地定向收集和輸運(yùn)液滴，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
為了解決這個(gè)問題，北京航空航天大學(xué)田東亮教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為不能僅通過“阻塞法”使表面承受液體壓力，還需要進(jìn)一步引導(dǎo)液體進(jìn)行定向輸運(yùn)達(dá)到“減壓”效果，設(shè)計(jì)了一種概念上不同的策略（圖1），將水黽腿毛的抗水行為和鯊魚皮膚表面的減阻效果結(jié)合起來，通過聚合物的梯度相變，制備一個(gè)鱗片狀的超疏水表面。該鱗片結(jié)構(gòu)可以直接承受和緩沖液體壓力，進(jìn)一步降低表面的液體壓力，防止液滴與基底結(jié)構(gòu)的親密接觸，形成穩(wěn)定的復(fù)合界面，實(shí)現(xiàn)無損失液體輸送。這項(xiàng)工作為大規(guī)模設(shè)計(jì)和制造各向異性微納米結(jié)構(gòu)提供了潛力，實(shí)現(xiàn)了液滴按需遠(yuǎn)程、無損和連續(xù)單向輸運(yùn)的主動(dòng)控制。該工作以“Ultrastable Superhydrophobic Surface with Ordered Scaly Structure for Decompression and Guiding Liquid Manipulation”為題發(fā)表在《ACS Nano》上（doi：10.1021/acsnano.2c06749）。文章第一作者是北京航空航天大學(xué)博士后張秋雅博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金(22272005)的支持。

圖1 不能僅通過“阻塞法”使表面承受液體壓力，還需要進(jìn)一步引導(dǎo)液體定向輸運(yùn)達(dá)到“減壓”效果。受此啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種超疏水鱗片表面，可以控制液滴的定向
輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)液滴在表面的減壓。

 

 

表面鱗片結(jié)構(gòu)可以直接承受和緩沖液體壓力，還可以引導(dǎo)液體進(jìn)行可控輸運(yùn)，進(jìn)一步降低表面的液體壓力，協(xié)同防止液滴與基底結(jié)構(gòu)的親密接觸，形成穩(wěn)定的SAL復(fù)合界面，實(shí)現(xiàn)無損失液體輸運(yùn)（圖2，圖3）。此外，音樂誘導(dǎo)超疏水表面垂直振動(dòng)結(jié)合鱗片各向異性結(jié)構(gòu)可以單向驅(qū)動(dòng)液滴輸運(yùn)，在多步定量化學(xué)反應(yīng)和液體檢測中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值（圖4）。這項(xiàng)工作在設(shè)計(jì)耐用超疏水材料方面具有很大的潛力，并在液滴控制、無損耗液滴傳輸、液體檢測和航空減阻等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖3 液滴在超疏水鱗片表面定向輸運(yùn)及“減壓”的機(jī)理。當(dāng)液滴從a位置被擠壓到b位置時(shí)，液滴直接受到鱗狀結(jié)構(gòu)的緩沖并向前輸運(yùn)，進(jìn)一步降低對表面的垂直壓力。

                                                  圖4聲音誘導(dǎo)液滴在超疏水鱗片表面的定向輸運(yùn)。