表面液滴可控输运在微流控、水收集、冷凝换热和界面减阻等领域有着广阔的应用前景。其中，受猪笼草润滑特性启发的超滑表面因其对各种液体的低粘附性，成为了实现液滴操控的新兴代表。然而，传统超滑表面润滑层由于不可避免的蒸发、互溶、滑移和剪切流动而损失，表面耐用性较差，无法持续操控液滴。因此，设计可实现液滴可持续操控的超滑表面仍存在巨大挑战。

近日，大连理工大学刘亚华教授和冯诗乐副教授研究团队设计了一种润滑油自调节光热超滑表面。该表面具有良好的光热和润滑油自调节特性。在近红外光的照射下，即使表面润滑层被完全擦除，也可实现液滴按任意路径持续输运。此外，通过调控近红外光的运动轨迹，可以实现液滴的任意分割。该研究成果以“Sustainable Droplet Manipulation on Ultrafast Lubricant Self-Mediating Photothermal Slippery Surfaces”为题发表在《Advanced Functional materials》上。

【润滑油自调节光热超滑表面制备与表征】

研究者通过将磁流体和硅油依次注入由等规聚丙烯和二甲苯相分离制备的多孔连通网络结构中，制备了一种润滑油自调节光热超滑表面（图1a、图1b）。该表面表现出良好的光热特性、超滑特性以及润滑油超快自补充/自吸收特性（图1c-1e）。

图1. 润滑油自调节光热超滑表面的制备与表征

【润滑油自调节光热超滑表面液滴输运现象】

研究发现，在近红外光的照射下，润滑油自调节光热超滑表面在表面润滑油被擦除前后，均可实现液滴运动行为有效控制（图2a和2b）。对于无润滑油自调节能力的普通光热超滑表面，润滑油被擦除后，近红外光无法驱动液滴运动（图2c）。同时，润滑油自调节光热超滑表面在表面油膜被擦除前后均具有持续的液滴输运性能（图2d和2e）。进一步研究发现，该表面在经过润滑层擦除后长时间（24 h）水流冲洗、空气中长时间（60天以上）暴露以及快速旋转（500 rpm）等多种极端条件测试后，仍然表现出优异的液滴操控性能（图2f）。

图2 润滑油自调节光热超滑表面和普通光热超滑表面液滴输运特性对比

【润滑油自调节光热超滑表面液滴持续输运机理】

润滑油自调节光热超滑表面在润滑层被擦除后之所以仍可持续操控液滴，是因为当近红外光照射表面后瞬间产生高温导致基底结构膨胀，孔隙率降低，从而将多孔结构中的润滑油挤出，并快速蔓延至基底表面形成新的润滑层。此时，液滴与表面由固液接触转变为液液接触，这大大减少了液滴运动的阻力，液滴在温度梯度产生的Marangoni力和曲率梯度产生的拉普拉斯力的协同作用下定向输运（图3a-3g）。此外，即使特定位置润滑油被大量液滴带走，基底多孔结构的连通性也会促使其它孔隙的润滑油流动以补充损失（图3h）。这种将润滑油在整个基底中重新分配到最需要位置的策略最大限度地提高了润滑油的利用效率。当近红外光关闭时，膨胀的结构复原，表面润滑油被重新吸入多孔结构（图3a和3b）。表面多孔连通网络结构像铠甲一样阻止润滑油与外部环境接触，避免了润滑油的损耗。这种润滑油在基底结构内部优异稳定性与润滑油自补充/自吸收性能的协同作用，保证了表面液滴的持续可控输运。

图3. 润滑油自调节光热超滑表面液滴持续输运机理

【润滑油自调节光热超滑表面液滴分割】

在近红外光照射下，润滑油自调节光热超滑表面不仅可以实现低表面张力液滴可控输运，还可以进行任意形式、任意比例和任意个数的液滴分割（图4a-4c）。当近红外光照射液滴中间位置时，该位置温度迅速升高，而在液滴边缘的温度基本不变（图4d和4e）。这种温差会产生液滴表面张力梯度（图4f），进而形成特定的Marangoni流动方式：液滴表面的液体从中间向边缘流动，内部的液体从底部向顶部流动（图4g）。当液膜较薄时，流体水平流动起主导作用，反之，垂直流动起主要作用（图4h和4i）。因此，可通过减小液滴厚度，实现高表面张力水滴的分割（图4j）。上述研究在生物测定、组合分析和药物输运等领域具有重要意义

图4 润滑油自调节光热超滑表面液滴分割机理

【润滑油自调节光热超滑表面基础应用研究】

液滴可控输运和任意分割在诸多工程领域具有广泛的应用前景。例如，润滑油自调节光热超滑表面的液滴可控输运能够实现选择性液滴合并和高效避障，可应用于化学和药物检测等领域（图5a）。图5b展示了一种密封的液滴分类装置。在近红外光的作用下，密封装置中的有色液滴可以被驱动到特定区域与相应颜色的液体融合，可用于需要密封以防止交叉污染的生物医学微流控芯片中。最后，结合润滑油自调节光热超滑表面近红外光诱导液滴输运和分割特性，实现了化学反应的再分配和定点反应（图5c）。

图5 润滑油自调节光热超滑表面基础应用研究

【总结】

综上所述，本研究设计制备了一种同时具有超快润滑油自调节和光热性能的功能表面。在这种表面上，即使表面的润滑层被完全擦除，或在其他人为的极端条件下，液滴也可以在近红外光的照射下持续运输。这种优异的液滴操控性能归因于多孔结构的联通性和材料的光热膨胀特性。此外，通过控制近红外光的运动轨迹，可实现液滴的任意分割。

文章第一作者为大连理工大学机械工程学院博士生詹海洋，通讯作者为大连理工大学刘亚华教授和冯诗乐副教授。其他作者包括大连理工大学机械工程学院夏宇航、刘一鹤、孙昊杰和葛文娜。该研究成果得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、辽宁省优秀青年自然科学基金和国家级人才专项支持计划等项目资助。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！