杜學敏/王鉆開Science Advances：光誘導帶電潤滑表面
【導讀】
表面無處不在，其為生命物質和非生命物質的質量與能量交換提供了獨特的界面。過去十多年，作為兩種典型的界面材料——潤滑表面與超疏表面，在自清潔、液滴冷凝、防冰與防污等領域取得重大進展。與超疏表面不同的是，潤滑表面通過潤滑層的設計以取代超疏表面的微氣孔，便引入如自愈合、防冰、防揮發等新功能。然而，潤滑層的引入也同樣帶來新的問題：一方面，潤滑層的存在會導致固體表面的結構梯度或電荷梯度被屏蔽，使得通過表面梯度操控液體面臨挑戰；另一方面，潤滑層的存在也使得通過外場主動操控液體變得困難。這些問題極大制約了潤滑表面的液滴操控及其實際應用。
【成果掠影】
近日，中國科學院深圳先進技術研究院杜學敏研究員團隊與香港城市大學王鉆開教授團隊合作，在光誘導帶電潤滑表面及其生物應用方面取得重要研究進展。該研究成果以“Light-induced charged slippery surfaces”為題發表在國際期刊Science Advances（Science Advances, 2022, 8(27), eabp9369）上，報道了一種基于智能高分子材料的新型潤滑表面（light-induced charged slippery surface，LICS）。該LICS通過光熱誘導表面電荷高效、持續、穩定再生特性，能有效消除潤滑層對表面電荷的屏蔽效應，從而實現開放體系下對液滴的快速、遠距離、反重力、群體精準驅動，同時還可實現封閉體系下凝血檢測、原位細胞刺激與細胞響應監測等生物應用。
【核心創新】
智能高分子材料潤滑表面（LICS）：構建了基于優異光熱效應的液態金屬與獨特鐵電效應的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（LMP/P(VDF-TrFE)）聚合物復合的新型潤滑表面，兩者協同能將光熱轉變為表面電荷。
消除潤滑層對電荷屏蔽效應：LICS在0.5 s的近紅外光輻照下（100 mW/mm2），即可產生表面電荷密度高達1280 pC/mm2，且電荷再生性能在持續10000次近紅外光開/關循環或浸泡在硅油中長達6個月均無明顯衰減。
全新液滴操控與生物應用：LICS實現開放體系下液滴高速（平均速度：15 mm/s）、長距離、反重力、簡單液體到復雜液體、單個到多個液滴、微觀到宏觀尺度液滴、平面到曲面基底、開放到封閉體系的精準操控，同時還可實現封閉體系下凝血檢測、原位細胞刺激與細胞響應監測等生物應用。
【數據概覽】
圖1. LICS設計。（A）傳統潤滑表面通過傾斜基底利用液滴重力驅動液滴示意圖；（B）LICS通過光驅動液滴示意圖；（C）大面積制備LICS：6英寸LMP/P(VDF-TrFE)復合薄膜及其表面微納結構掃描電鏡圖；（D）液態金屬顆粒在LMP/P(VDF-TrFE)復合薄膜中的分布；（E）光控液滴在傾斜40°的LICS上的爬坡運動；（F）光控液滴在垂直LICS上的反重力運動；（G）與相關液滴操控工作進行比較。
圖2. LICS電荷再生。（A）光誘導LICS電荷產生與消失示意圖；（B）近紅外光照下LICS溫度分布圖；（C）不同液態金屬含量的LICS在光照下溫度隨時間變化；（D）LICS在不同光照強度下的溫度隨時間變化；（E）光誘導表面電荷密度隨液態金屬含量與光照強度升高而增加；（F）LICS在10000次的NIR光開/關循環下仍保持優異且穩定的電荷再生能力。
圖3. LICS液滴驅動機制。（A）光熱誘導的馬拉格尼作用力與介電泳力共同作用液滴示意圖；（B）模擬仿真溫度分布；（C）模擬仿真電勢分布；（D）計算獲得的馬拉格尼作用力、介電泳力及兩者合力圖；（E）液滴操控相圖。
圖4. LICS在開放體系下的液滴操控。（A）3顆液滴集體操控、精準定向融合；（B）液滴在曲面的LICS上操控融合；（C）LICS用于液滴融合凝膠化，并組裝成特定形貌水凝膠。
圖5.?LICS在封閉體系下的生物應用。（A）封裝成微流控芯片的LICS；（B）LICS芯片在無需泵的情況下，即可在迷宮型路徑中實現液滴精準光控；（C，D）LICS芯片用于凝血檢測，較之在開放體系下檢測及添加有磁性顆粒的對照組，避免了液滴揮發與交叉污染，體現出卓越的可靠性；（E，F）LICS芯片用于細胞原位刺激與細胞響應監測。
【成果啟示】
研究團隊構建了一種基于智能高分子材料的新型潤滑表面——LICS，通過智能高分子材料的光熱誘導表面電荷高效、持續、穩定再生能力，能有效消除潤滑層對表面電荷的屏蔽效應，實現液滴高速、長距離、反重力、簡單液體到復雜液體、單個到多個液滴、微觀到宏觀尺度液滴、平面到曲面基底、開放到封閉體系的精準操控，而且還能進一步拓展到診斷與分析等生物應用。LICS的高可靠性與穩定性及獨特功能，既實現了開發體系下液滴的高效操控，又實現了密閉的微流控芯片內液滴的無泵、遠程、防揮發、防污染操控和生物應用；其簡單設計與便攜式操作和獨特功能有望為下一代界面材料和微流體開辟新的途徑，為化學和生物醫學應用帶來全新可能。
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