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来源：高分子科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
自然界的生物，如沙漠甲虫、仙人掌等，已经进化出可以定向运输液体的表面结构，以收集水和营养物质。这种液体定向运输构成了一种重要的表面现象，了解其物理化学机制有助于开发液体运输装置，在微流控、润滑、液体分离等领域得到广泛的应用。近年来，受生物表面液体定向运输的启发，能够主动或被动定向运输液体的人工表面已取得了系列进展。尽管在表面润湿性控制方面进行了许多研究，但要在材料表面实现可切换方向的液体运输的实时转变，仍然存在着挑战。
北京航空航天大学江雷院士、田东亮教授等人报道了一种在具有V形棱镜微阵列（VPM）微结构的弹性薄膜上实现曲率响应的各向异性润湿的策略，用于控制液体传输的方向。研究发现，弹性薄膜的曲率变化可以调控弹性薄膜上V形棱镜的排列。相应地，液体的润湿趋势会发生变化，甚至移动方向会随着弹性膜上V形棱镜的不同排列而发生逆转。同时，VPM弹性膜的表面疏水性也会影响液体的润湿趋势，甚至呈现出液体的相反输送方向。因此，VPM弹性膜可以作为控制液体传输方向的阀门，在液体定向获取、化学反应、微流控等领域具有广阔的应用前景。该研究以题为“Curvature Adjustable Liquid Transport on Anisotropic Microstructured Elastic Film”的论文发表在《ACS Nano》上。为了实现曲率响应的定向液体运输，各向异性的VPM弹性薄膜是通过模板法设计和制造的。首先，作者通过光刻法制备具有V形槽的硅片模板，然后将聚二甲基硅氧烷的前体倒在模板上，并在80℃下固化1小时。最后，作者将VPM弹性膜浸入疏水性SiO2纳米颗粒溶液中20分钟，以提高其表面的疏水性。未改性的VPM弹性薄膜表面显示出一定疏水性，接触角为∼123°，记为H-VPM。经过疏水性SiO2纳米颗粒的表面改性后，VPM弹性薄膜从高粘性疏水性变为低粘性超疏水性表面，接触角为∼153°，滑动角为∼1°，记为S-VPM。作者进一步研究了不同VPM结构排列和疏水性对弹性薄膜的水滴润湿行为的影响。结果表明，通过改变VPM的纵向和横向间距以及疏水性可以调控液体在VPM弹性薄膜上的定向润湿行为。为了实现VPM弹性膜在微通道液体定向运输中的应用，作者设计了不同的H-VPM和S-VPM微管。当水注入H-VPM管中时，若a（VPM横向间距）=b（VPM纵向间距）=10 μm，水会向-X方向湿润。随着b的增加，水在-X方向的润湿趋势减少，并会向相反方向（+X）移动。当a>b（b=10 μm）时，水总是向-X方向润湿。而对于S-VPM管，其润湿方向与H-VPM管完全相反。根据水的单向运输特性，各种液体可以在S-VPM弹性膜中进行可控的化学反应运输。例如，将酸性（HCl）和碱性（NaOH）液滴分别置于两个具有预定运动方向的反向S-VPM弹性管中。随着液体体积的增加，液体向对方移动，酸碱中和反应可以完成。因此，不同液体的定向输送可以按需进行，在化学反应器等领域具有广阔的应用前景。随着VPM弹性膜曲率的改变，VPM的排列也会相应改变，从而为液体在弹性表面的润湿变化奠定基础。作者研究了改变VPM弹性膜的曲率半径对VPM的结构参数和相应液体运输方向的影响。结果表明，当VPM弹性膜从凹到凸，V形棱柱的纵向间距、相邻V形棱柱的尖尾间距、相邻两个尖的间距以及V形棱柱的角度逐渐增大，从而实现液体运动方向的逆转。为了进一步实现微通道内液体运输方向的可切换，作者设计了一个曲率响应的VPM弹性阀。对于凹面的H-VPM管，水向-X方向移动，而在凸面则向+X方向移动；而对于S-VPM管，水在凹面向+X方向移动，但当凹面变为凸面时，则向-X方向移动。因此，曲率半径和疏水性可以改变润湿状态，调整液体的运输方向。总结：作者提出了一种通过曲率响应的VPM弹性薄膜实现可切换液体输送方向的策略。V形棱镜结构的排列可以通过改变VPM弹性薄膜的曲率半径来调控。液体的润湿方向可以随着V形棱镜结构的不同排列而改变，甚至可以逆转。此外，由于VPM结构表面的水润湿状态不同，H-VPM和S-VPM弹性膜上的液体输送方向是相反的。因此，VPM弹性膜可以作为一个阀门来调整液体的传输方向，在集水、减阻、微流控、微反应器等领域具有广阔的应用前景。--纤维素推荐--
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原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c00555声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！