華南師大&埃因霍溫理工 Matter：利用射頻交流電場控制人造皮膚分泌液體以使其表面濕潤

【文章亮點】

（1）利用射頻交流電場進行液體噴射。

（2）可以釋放功能性的液滴。

（3）場外狀態下，分泌液會進行自發的重吸收。

【背景介紹】

目前，在智能材料研究中部分致力于響應環境變化而耦合傳感和驅動的材料。但是，為了使材料真正變得智能，還面臨著材料與人類、器件或相互之間交換化學信息的挑戰。此外，提供延長材料和器件壽命的機制，還將在機器人技術、虛擬現實和調整后的藥物輸送范圍內提供通信和反饋機制。例如以哺乳動物的皮膚為啟發，通過分泌化學物質改變其表面性質的涂層與環境相互作用，影響附著力、潤濕性、溫度或觸摸體驗。然而，大多數方法僅限于被動釋放，很少報道通過觸發釋放與吸收再填充相結合的方式來管理體液。如今，主動分泌是由射頻（RF）交變電場控制。頻率范圍為20 kHz-300 GHz的RF，包括無線電波和微波，是一種低能量、非電離的輻射。但是，材料科學家對射頻在刺激響應性有機材料和軟材料方面的潛力仍然知之甚少。

【成果簡介】

基于此，華南師范大學&荷蘭埃因霍溫理工大學的劉丹青教授、Dirk Jan Broer院士和周國富教授（共同通訊作者）等人聯合報道了一種人造皮膚，該人造皮膚由（亞）微孔薄涂層組成，可以填充致動時分泌的液體。在液體是化學物質的情況下，可以引發界面化學反應，該界面化學反應通過向反應產物提供顏色而可視化。研究發現，射頻（RF）電場會影響高度有序的介電液晶聚合物網絡（LCN）的材料性能。在RF交流（AC）場下，取向的極化分子會受到連續的振蕩力。該人造皮膚通過（亞）微孔近晶狀液晶網絡的介孔電液體傳輸驅動的射頻電信號來分泌功能性液體。聚合物網絡的近晶順序及其指向性決定了流動方向，并在預先設置的位置增強了流體向表面的輸送。釋放出的液體可以通過毛細管填充被皮膚吸收。具有流體活性的皮膚為機器人自動處理化學藥品和藥物、控制摩擦學和以流體為支撐的表面清潔開辟了新道路。研究成果以題為“Artificial Organic Skin Wets Its Surface by Field-Induced Liquid Secretion”發布在國際著名期刊Matter上。

【圖文解讀】

圖一、RF AC場下介電液體的傳輸
（A）叉指電極（IDEs）的示意圖；

（B）在玻璃基板上由銦錫氧化物IDEs陣列提供的面內電場；

（C）整個工作中使用的材料；

（D）在交叉偏振器之間拍攝的光學顯微圖像顯示了初始垂直排列的介電液體1和當RF AC場打開時液體的重新排列；

（E）在（D）中給出的位置1和2處測得的分子1的遷移速度；

（F-G）通過DHM測量的表面形貌的3D圖像顯示介電液體傳輸到間隙區域，顯示其相應的2D輪廓。

圖二、液體分泌多孔LCN涂層
（A）2D GISAXS模式，從左到右在2 M Hz的62.0 V_rms的RF AC場下，以及在關閉RF場之后，具有制造后的初始狀態；

（B）（A）的相應一維（1D）輪廓；

（C）帶有有效IDEs區域指示的實際樣本照片；

（D）分子1的溶劑萃取后涂層橫截面的SEM圖像。

圖三、多種方式分析分泌過程并通過DHM測量3D表面輪廓圖像
（A）初始平面；

（B）當施加RF AC場時，在涂層表面形成液滴；

（C）通過打開和關閉電場來隨時間變化不同位置的表面高度；

（D）偏光光學顯微圖像顯示了初始涂層和受到RF AC場時的涂層。

圖四、影響分泌的參數
（A）電場強度對分泌物的影響；

（B）頻率對分泌的影響；

（C）在各種頻率下62.0 V_rms的RF AC磁場產生的熱量；

（D）比較由射頻電場和射頻感應溫度排出的液體總量。

圖五、活性化學物質的分泌
（A）活性染料從涂層中排入酸性環境的示意圖；

（B）酸堿反應產生顏色；

（C）在酸性環境下染料的質子化；

（D）在pH敏感染料的釋放過程中吸光度的變化以及染料吸光度與釋放的染料量之間的相關性；

（E）布洛芬分子；

（F）隨時間釋放的布洛芬量。

【小結】

綜上所述，作者使用RF交流電場控制多孔聚合物涂層上的液體分泌。在場外狀態下，液體可以通過網絡彈性和毛細作用力可逆地重新吸收。通過在聚合之前在反應混合物中添加近晶狀介孔劑來控制涂層的孔隙率。通過對釋放藥物等功能性液體進行了初步研究。此外，還證明了涂層通過在其表面進行化學反應而與環境相互作用。這些反應也可以在第二試劑的（再）吸收之后，最終在涂層的大部分中進行。由于聚合物的堅固特性，其功能不限于作為獨立膜，還可以作為功能性涂層集成到其他設備中。不僅為機器人自動處理反應、釋放藥物和轉移化學品開辟了新途徑，而且還為改變表面的摩擦學特性或清除不需要的物質開辟了新途徑。

文獻鏈接：Artificial Organic Skin Wets Its Surface by Field-Induced Liquid Secretion（Matter, 2020, DOI: 10.1016/j.matt.2020.05.015）

團隊簡介

在2015年，華南師范大學和荷蘭埃因霍溫理工大學聯合成立了響應型材料與器件集成（Device Integrated Responsive Material, DIRM）國際聯合實驗室。DIRM的目標是通過匯集中國和荷蘭的功能材料和集成設備領域的頂尖人才，成為技術創新產業化和學術研究之間的橋梁。實驗室網頁：http://www.dirmlab.com/。團隊在該領域工作匯總：研究固態高分子聚合物基人造皮膚，在其可變形的微米級毛孔中容納了一個液體儲層。在通過光刺激人工合成皮膚，皮膚的孔隙將減小孔的尺寸，從而將最初鎖定的液體擠出皮膚表面。

相關優質文獻：

Photo-responsive Sponge‐Like Coating for On‐Demand Liquid Release. Adv. Funct. Mater., 2018, https://doi.org/10.1002/adfm.201705942.

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip.