近年来液体操控在液体收集、微流控和图案化等领域展现出重要的研究价值。浸润性调控是实现液体操控的重要途径之一。1805年托马斯·杨（Thomas Young）提出杨氏方程，阐明液体在固体表面的浸润态取决于相界面张力的平衡关系。理想情况下，只需调控任一相界面张力，液体的浸润态就可以发生显著改变。已经发展的浸润性调控手段主要利用固体表面修饰，如分子层修饰和表面微结构，但面临处理流程复杂和成本高昂等问题。由于气液界面修饰手段有限且难以稳定，直接调控气液界面实现浸润性转变仍是一个挑战。
宋延林研究员课题组多年来专注于液滴精确操控、气泡和流体的图案化研究。近期他们发现在小分子气氛诱导下，液体表现出了明显的响应性浸润态转变，可实现“覆水可收”。小分子气氛包括短链醇类、酮类和酸类等。响应性浸润态转变受液体内部马拉格尼效应（Marangoni effect）控制，具备实时气氛响应性。这一发现为液体行为操控提供了新的思路和手段。
图1. 气氛诱导液滴浸润性转变、滑移和感应性
如图1所示，在空气中引入一定浓度乙醇气氛（> 0.5 kPa）时，超亲基底上的水滴将会出现显著的接触角增大现象。这一现象广泛存在于低表面张力小分子气体和高表面能液体之间。以乙醇气氛和水滴为例，受气液界面吸附和液体相分子扩散的影响，乙醇分子在液滴的表面浓度由三相线到中心递减，造成局部的张力降低并诱发向液滴中心的马拉格尼流。定向的马拉格尼流使液滴展现出收缩态。收缩态液滴的滚动角低至1°，展现出高滑移性。此外，气氛环境下液滴间具有远程吸引和自发聚并行为，这些特性为后期的液体操控奠定了基础。
固体表面的薄液膜的回收一直是一个难题，即“覆水难收”，而气氛诱导浸润性转变可解决这一难题。如图2所示，他们通过自制的气氛诱导液体回收装置，可在数十秒内对4 cm2的水、DMF和乙二醇薄液膜实现高达95%的回收率。对于更加复杂的随机分散液膜，气氛诱导回收装置也可实现超过90%的回收率，同时起到固体表面清洁的作用。此外，液滴远程吸引和高滑移性为构建液滴微流体和液滴反应提供了可能。通过构建Y型通道，实现了气氛诱导下液滴间的混合反应。利用液滴间自发聚并和响应性收缩，构建了便捷的液滴反应，可极大降低微量反应的成本。
图2. 气氛诱导的液体回收、液滴微流控和液滴反应
视频：“覆水可收”
此项研究在液体回收、液滴操控及固体表面清洁等方面具有重要意义和价值。利用气氛诱导的浸润性转变，有望实现稀有液体资源再回收和特定基底表面清洁。气氛诱导的浸润性转变作为一种新的去浸润控制手段，有望用于功能材料的动态图案化和非接触印刷。
此论文发表在ACS Applied Materials & Interface (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c20546)上。论文的第一作者为中科院化学所宋延林课题组博士后李正博士，共同第一作者为西安大略大学杨军教授课题组博士后黄占东博士，通讯作者为中科院化学研究所宋延林研究员和乔雅丽研究员。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c20546
相关进展
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
点
这里“阅读原文”，查看更多