利用柔性超親水夾層通道，實(shí)現(xiàn)液體在任意界面上的自發(fā)定向輸運(yùn)

自然界中的流體輸運(yùn)方式遵循著低耗、高效、定向、智能的基本原則。在之前的研究中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)界面的超浸潤(rùn)性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的有效操控，包括收集、輸運(yùn)、合并、釋放等。盡管如此，因?yàn)榻缑姹菊鹘?rùn)性的限制，發(fā)展普適性方法來(lái)實(shí)現(xiàn)液體在任意界面上的自發(fā)定向輸運(yùn)充滿挑戰(zhàn)。

面向這一領(lǐng)域難題，南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曹墨源研究員等提出一種具有柔性超親水性質(zhì)的夾層通道概念，巧妙利用超親水柔性軌道誘導(dǎo)液體在任意配對(duì)界面上的自發(fā)連續(xù)輸運(yùn)，并以此構(gòu)建了多種液體捕獲、氣/液交換器、界面微反應(yīng)器、電解水微芯片等功能器件。相關(guān)成果以“Universal liquid self-transport beneath a flexible superhydrophilic track”為題發(fā)表在Matter期刊上，論文第一作者兼通訊作者是南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曹墨源研究員，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所吳雨辰研究員為共同通訊作者。

之前的仿生流體輸運(yùn)界面研究中，研究人員更加關(guān)注界面之上的自發(fā)輸運(yùn)過(guò)程。當(dāng)親水界面形成小尺寸毛細(xì)結(jié)構(gòu)之時(shí)，其對(duì)液體的驅(qū)動(dòng)能力會(huì)大大增強(qiáng)。這一點(diǎn)，載玻片和蓋玻片組裝顯微鏡觀測(cè)生物樣品的制樣過(guò)程，就利用了這個(gè)特性。實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的剛性親水結(jié)構(gòu)（如蓋玻片）難以高效誘導(dǎo)液流的連續(xù)快速輸運(yùn)，尤其是在形成局部剛性接觸時(shí)，液流輸運(yùn)會(huì)被限制。與此相對(duì)，柔性超親水軌道可以與配對(duì)界面組裝形成彈性毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，使得其在液體自發(fā)輸運(yùn)過(guò)程中體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)（圖1a）。柔性超親水軌道可以誘導(dǎo)液流在各種各樣配對(duì)界面上（包括極為疏水的聚四氟乙烯、有機(jī)硅界面）自發(fā)鋪展/輸運(yùn)，從而得到開(kāi)放性的夾層微流體通道（圖1b、1c）。圖1d中簡(jiǎn)單對(duì)比了一些典型的自發(fā)輸運(yùn)微流體通道性質(zhì)，該項(xiàng)工作在便捷性、普適性和自發(fā)性等方面具有明顯特色。

圖1超親水柔性軌道的性質(zhì)及液體輸運(yùn)效果

通過(guò)建模模擬，研究人員也說(shuō)明了柔性超親水軌道在驅(qū)動(dòng)液體連續(xù)輸運(yùn)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)（圖2a、2b）。在輸運(yùn)過(guò)程中，超親水軌道和配對(duì)界面間組成毛細(xì)管（厚度~35微米，與配對(duì)基底界面性質(zhì)相關(guān)），并且液體自發(fā)輸運(yùn)速度與配對(duì)界面的浸潤(rùn)性和粗糙度直接相關(guān)（圖2c）。改變超親水軌道的寬度對(duì)其輸運(yùn)速度影響不大，但輸運(yùn)通量會(huì)隨軌道寬度增大而提高（圖2d）。研究人員對(duì)此輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行了理論計(jì)算，得到了針對(duì)配對(duì)基底浸潤(rùn)性影響輸運(yùn)動(dòng)力的關(guān)系方程（圖2e）。同時(shí)，通過(guò)在配對(duì)基底上引入流體“陷阱”，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于流體自發(fā)輸運(yùn)的速率調(diào)控（圖2f）。

圖2基于柔性超親水軌道的夾層型流體通道的輸運(yùn)行為及調(diào)控

所制備夾層型自發(fā)流體輸運(yùn)通道的一大特點(diǎn)就是其開(kāi)放性。不同于傳統(tǒng)的微流體通道，開(kāi)放通道可以更好地發(fā)揮其自發(fā)輸運(yùn)能力。如圖3a所示，因通道內(nèi)氣壓的原因，流體無(wú)法自發(fā)流入封閉通道，只有當(dāng)通道末端被打開(kāi)時(shí)，流體方可實(shí)現(xiàn)快速自發(fā)輸運(yùn)。以此為原理，研究人員首先設(shè)計(jì)了可以自行解迷宮“智能”流體輸運(yùn)芯片，在氣壓的引導(dǎo)下，液流可以自發(fā)輸運(yùn)并找到迷宮出口（圖3b）。類似的原理下，在開(kāi)放界面上的流體輸運(yùn)也可以通過(guò)軌道的尺寸來(lái)調(diào)控流體輸運(yùn)的次序，從而實(shí)現(xiàn)液體圖案的按需鋪展（圖3c）。相關(guān)自發(fā)輸運(yùn)通道也可以被整合形成液流微反應(yīng)器，在藥品原位裝載-開(kāi)放界面反應(yīng)-自發(fā)輸運(yùn)等方面展現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)（圖3d、3e），可以實(shí)現(xiàn)具有pH響應(yīng)能力的酸堿中和串聯(lián)反應(yīng)（圖3f），以及由金屬配體顯色的并聯(lián)界面反應(yīng)（圖3g）。

圖3基于柔性超親水軌道及夾層通道的液流操控與微反應(yīng)界面構(gòu)建

開(kāi)放微通道的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是可以提供足夠的物質(zhì)交換界面，以此為目的，研究人員設(shè)計(jì)了具有液體自發(fā)鋪展和原位氣化的界面蒸發(fā)通道，可以誘導(dǎo)液體在界面上的大面積鋪展，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)蒸發(fā)（圖4a、4b）和界面降溫（圖4c）的效果。同時(shí)，開(kāi)放通道也適合于微流體收集和排空，將小液滴噴灑到附有豎琴狀通道的界面上，小液滴將會(huì)在界面微通道的作用下被定向收集，最終在重力作用下定點(diǎn)排空，為霧水收集、液體冷凝等領(lǐng)域提供新思路（圖4d）。

圖4開(kāi)放界面夾層通道的物質(zhì)交換能力和導(dǎo)液功能

簡(jiǎn)單的通道結(jié)構(gòu)為進(jìn)一步將其和已有功能體系整合提供了無(wú)限可能。這里，研究人員基于此類通道整合設(shè)計(jì)了便攜式電解水微芯片（圖5a、5b）。導(dǎo)電液滴在通道起點(diǎn)被注入后，會(huì)自發(fā)分散到兩電極之間的通道中，形成導(dǎo)電通路并啟動(dòng)電解水反應(yīng)（圖5c）。通過(guò)優(yōu)化通道的寬度，可以優(yōu)化界面電解水的效率（圖5d）。因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程不消耗電解質(zhì)，當(dāng)液滴被消耗光之后，繼續(xù)加入清水便可讓電解水反應(yīng)繼續(xù)，在實(shí)現(xiàn)便攜性的同時(shí)，最大程度地降低了電解過(guò)程的電解質(zhì)使用量（圖5e）。

圖5基于夾層流體通道整合設(shè)計(jì)的便攜式電解水芯片

綜上所述，在該項(xiàng)工作中，研究人員以極度簡(jiǎn)化的柔性超親水軌道為主體，構(gòu)筑了可自發(fā)定向輸運(yùn)液體的夾層開(kāi)放通道，通過(guò)合理設(shè)計(jì)軌道構(gòu)型以及整合功能，實(shí)現(xiàn)了一系列的自發(fā)流體輸運(yùn)效果，其中一些功能是傳統(tǒng)流控界面無(wú)法實(shí)現(xiàn)或是需要精密設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在已有體系中引入各種尺度的柔性超親水結(jié)構(gòu)，有利于對(duì)其中流體分布、輸運(yùn)、釋放等過(guò)程的優(yōu)化，這都有賴于未來(lái)的研究來(lái)證明。該工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFA1504002）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52373247，22075202，52203224）以及南開(kāi)大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.04.037



審核編輯：劉清