中科院理化技術研究所王樹濤團隊Adv. Mater.：基于潤濕轉移（WET）策略的油水凝膠表面精確圖案化

【引言】

由于水和油固有的不相容性，它們的混合相很難產生奇妙的藝術作品。在水和油的混合或分離過程中，偶爾會在它們的界面處形成一些奇妙的圖案。例如，高揮發性的氟油在水面上可以通過去浸潤轉變快速產生從圓形到線形的動態油紋，而空氣、水、油等不混相流體對的同步表面圖案化可以通過結合基底微結構的潤濕性和幾何形狀來實現。但遺憾的是，這些圖案動態且短暫地存在，很難被現有的技術所固定和轉移。眾所周知，表面圖案化技術已被廣泛用于固體材料的圖案化，如離子濺射/模板剝離用于半導體/金屬的圖案化，噴墨打印用于有機單晶的圖案化，光刻技術用于無機納米材料/塑料的圖案化等。此外，蘸筆納米印刷、毛刷涂布、離子噴墨打印、3D/4D打印、光刻等技術已成功被用于對高流動性液體或柔性水凝膠/樹脂的圖案化，這些圖案化的柔性材料在細胞的誘導與分化、生物篩選、智能機器人等各個領域都具有很好的應用前景，但大多數研究都集中在對單相凝膠的體相圖案化上，而針對于表面圖案化的精度較低。因此，如何對兩相功能材料實現高精度的表面圖案化仍然是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，在中國科學院理化技術研究所王樹濤研究員（通訊作者）團隊等人帶領下，報道了一種通用的潤濕轉移（WET）策略，可以構筑從平面到曲面、從微觀尺度到宏觀尺度的凝膠表面圖案。基底表面的潤濕性差異可以誘導乳液體系中的水凝膠單體和油凝膠單體，使其分別被錨定在對應的親/疏水區域，在原位光聚合后，即可以在油水凝膠表面形成相應的水凝膠和油凝膠圖案。通過優化凝膠單體的種類、乳液液滴的大小和基底表面的化學成分，可以提高表面圖案的精度，使之達到與光刻技術相媲美的精度。這一發現為兩相不混溶系統的精準圖案化提供一種新的思路。該成果以題為“A Wetting‐Enabled‐Transfer (WET) Strategy for Precise Surface Patterning of Organohydrogels”發表在了Adv. Mater.上，文章第一作者為中國科學院理化技術研究所博士生萬茜子。

【圖文導讀】

圖1 通過WET策略構筑油水凝膠表面圖案

a）在乳液體系中，油相的油凝膠單體更傾向于通過疏水作用被吸附在基底的疏水區域，而水相的水凝膠單體更傾向于通過親水作用被吸附在基底的超親水區域（左）。通過掩膜版輔助法（右）可以獲得具有局部潤濕性差異的基底。

b）利用WET策略，可以將具有高流動性的兩相混合乳液成功轉化為具有表面圖案的可剝離的油水凝膠。誘導的油凝膠區域和水凝膠區域的接觸角分別為96.4?±?2.4°和20.7?±?2.5°。下方是水凝膠單體（藍色）及其交聯劑（灰色）、油凝膠單體（紅色）及其交聯劑（黑色）的分子結構。

圖2 表面圖案化油水凝膠的結構與組成表征

a）SEM圖像和b）相應的XPS分析確認了油凝膠區域的組成，插圖是對應的截面圖。

c）SEM圖像和d）相應的CLSM圖像證實了邊界處兩側結構的明顯差異。

e）SEM圖像和f）相應的XPS分析確認了水凝膠區域的組成，插圖是對應的截面圖。

g）SEM圖像（上圖）和CLSM圖像（下圖）確認了表面圖案化油水凝膠的內部結構組成。白色箭頭表示油凝膠成分，粉色箭頭表示水凝膠網絡。

h）水凝膠、油凝膠和表面圖案化油水凝膠樣品的水下油接觸角（OCA）和水下油接觸角（WCA）。

i）油凝膠和水凝膠單體摩爾比對油水凝膠機械性能的影響。

圖3 在油水凝膠表面的水凝膠和油凝膠圖案

a，b）所獲得的宏觀水凝膠圖案（a）和油凝膠圖案（b）的光學圖像。

c，d）所獲得的微觀水凝膠圖案（c）和3D油凝膠圖案（d）的共聚焦圖像。

e）具有多區水凝膠和油凝膠表面圖案的油水凝膠的兩個例子。傳統京劇臉譜（上）、著名的中國國寶熊貓（下）。值得注意的是，為了更好地展現圖案，我們將部分圖案區域染成了不同的顏色。

圖4 影響表面圖案精度的因素

a，b）單體與基底的表面化學組成之間的強疏水相互作用（a）或親水相互作用（b）有利于提高圖案的精度，比例尺：1cm。

c）減小乳液液滴的尺寸有助于油凝膠液滴占據基底的疏水區域，從而形成理想的圖案，比例尺：20 μm。

d）將基底疏水區域的修飾分子換為正辛基三甲氧基硅烷，有助于乳滴液滴有效地浸潤銳角（30°）和細線的尖頭，形成完整連續的圖案，比例尺：50 μm。

圖5?表面圖案化油水凝膠的性能和應用

a）表面圖案化油水凝膠在不同溶劑中的溶脹行為。

b）表面圖案化油水凝膠的拉伸性能。

c）使用表面圖案化的油水凝膠作為柔性轉印印章，將圖案轉印到水凝膠表面。通過WET策略轉移到水凝膠表面的圖案可經受60 s的水流沖擊而不產生任何損壞。

d）相反，通過傳統的固/固界面轉移得到的水凝膠表面圖案是不完整的，且很容易被水沖洗掉。

【小結】

綜上所述，團隊展示了一種WET策略，在原位光聚合的油水凝膠表面制備從2D到2D，從宏觀到微觀可調的圖案。通過優化凝膠單體的種類、基底的表面化學組成以及乳狀液液滴的尺寸，可以有效地提高表面圖案的精度。WET策略有幾個突出的優點。首先，對于具有高流動性預聚液的單相或兩相凝膠材料，該方法為實現其表面精準圖案化提供了一種新的思路。與那些本體圖案化的凝膠材料相比，表面圖案化油水凝膠具有優異的耐溶劑性和力學性能。第二，通過WET法獲得的油水凝膠的表面圖案實現了幾個微米的高精度，達到與光刻技術相媲美的程度。第三，這一策略為新一代表面圖案化軟材料的設計和制造開辟了新的路徑。在未來，一些功能分子或納米材料可以被引入到該系統中，賦予這些表面圖案化軟材料新的性能。這一策略在許多領域如柔性電子、油水收集、防偽和神經網絡構建等都表現出很大的應用潛力。

文獻鏈接：A Wetting‐Enabled‐Transfer (WET) Strategy for Precise Surface Patterning of Organohydrogels（Adv. Mater.，2021，DOI:10.1002/adma.202008557）

團隊介紹

王樹濤，中國科學院理化技術研究所研究員，國家杰出青年基金獲得者，教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，國家“萬人計劃”領軍人才，英國皇家化學學會會士（FRSC）。

王樹濤研究員課題組主要從事仿生多尺度粘附可控界面材料的研究，揭示自然界中特殊的界面粘附現象與機制，設計與制備仿生多尺度界面材料，探索其在醫療健康、能源、環境、信息等領域的應用。目前已在SCI接收發表論文200余篇，其中包括Nature，Sci. Adv.，Adv. Mater.，Angew. Chem.?Int. Ed，J. Am. Chem. Soc.，Proc. Natl. Acad. Sci. USA，引用16000余次。授權中國專利22項，美國專利2項。并先后在Chem. Rev.，Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res.，Nat. Rev. Mater.，等國際著名學術期刊發表邀請綜述，英文專著6章。入選科睿唯安中國高被引科學家，英國皇家化學會“Top 1%?高被引中國作者”榜單 (綜合化學領域）。

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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