Angew. Chem. Int. Edit.：完全潤濕液體在仿生表面的單向運輸

【引言】

在不加外力的情況下使液體在固體表面單向運輸會改善一系列技術，如生物流體裝置、自潤滑和高分辨印刷。自然界中很多的生物表面可以利用微尺度上的形貌和潤濕性能來控制流體的運輸，通過模仿這些表面，已經出現了幾種方法來實現液體的擇優運動。但是這些方法在實際應用中會存在幾個缺點：1.運動的幅度小；2.要外部輸入能量來激發它們的運動；3.凹槽結構各向異性的潤濕性能的左右對稱性限制了它們的運輸能力。

【成果簡介】

受到液體在翼狀豬籠草開口部表面自發單向運輸機制的啟發，中科院理化技術研究所李儲鑫和李寧（共同第一作者），董智超和北京航空航天大學的陳華偉（共同通訊作者）等人在江雷院士指導下利用高分辨立體光刻技術制備了具有不同表面能的微空腔陣列來模擬豬籠草開口部的表面形貌。這種表面在沒有能量輸入的情況下可以實現單向的液體運輸，具有不同表面張力和粘度的液體都可以在上面單向運輸。作者還研究了單向運輸的機理，并且利用這種機制成功使液體在螺旋中向上流動。

【圖文導讀】

圖1 仿生表面的截面圖

液體在表面中向左運動，而不能向右或者其它方向運動

圖2液體在仿生表面的單向運輸

（a）仿生表面的圖像；

（b，c）分別是仿生表面橫截面的顯微CT和SEM圖；

（c）拱形空腔尾部半徑小于1μm的尖銳突出部分，可以降低液體在尾部的溢出；

（d-g）水滴和連續液體在表面單向運輸隨時間的演化；

（d，e）染色水滴在仿生表面單向運輸的原位觀察，水滴（20.0 μL）在單個空腔內的平均運輸速度可以達到50.0 mms^-1；

（f，g）連續添加時，水滴可以單向運輸。

圖3 單向運輸距離與時間的關系

（a）20μL水在具有不同潤濕性的表面上的單向運輸；

（b）20μL表面張力從 9.5 到72.0 mNm^-1的非粘滯流體在親水（紅色）和疏水（綠色）表面上自發單向運輸，完全潤濕的液體 FC-72仍然能夠以最快的速度單向運輸；

（c，d）分別為粘度從 0.3 到 96.0 mP的粘滯性流體在超親水和超疏水表面上伸展。

圖4?單向運輸時液體潤濕狀態的三維示意圖

（a）2.0 μL 和0.5 μL乙二醇滴在仿生表面上；

（b）由于尾部的尖銳邊緣，液體不能流過突出部分；

（c）從S1到S2，上面的液體超出和流過突出部分并且將上面的空腔填滿，然而液體在相反或垂直方向不能流動。液-固接觸線被固定在空腔的輪廓線上；

（d）液體在表面上的前進和后退接觸角的側面（d1）和橫截面圖（d2）。

圖5 液體在上升螺旋和阿基米德螺旋線的單向運輸

（a）科隆大教堂噴泉的光學圖，上面的液體可以沿著螺旋線向下運輸；

（b）上升螺旋的側視圖，螺旋的上升高度為10mm；

（c）將染色的水滴連續滴在螺旋的中心，水滴能夠沿著螺旋線上升而不會后退，1min以內水滴流過45cm的距離以及升高了1cm；

（d）鸚鵡螺旋； ? ? ?（e）阿基米德螺旋；

（f）150μL染紅的十六烷能沿著阿基米德螺旋線運輸而不會后退也不會超出上面的圖案。

文獻鏈接：Uni-Directional Transportation on Peristome-Mimetic Surfaces for Completely Wetting Liquids（Angew. Chem. Int. Edit.，2016，DOI:10.1002/anie.201607514）

本文由材料人生物材料組陳昭銘供稿，材料牛編輯整理。

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