Advanced Science:可逆调控仿生各向异性表面,实现液滴酸碱识别和转移

具有微纳结构的表面对许多植物和昆虫在自然界中的生存起到了关键作用。例如,各向异性表面可以使液滴沿着蝴蝶翅膀向外滚落,水黾可以在水面上行走,植物可以捕获花粉和昆虫。通过模仿自然界动植物表面,多种具有各项异性润湿性的工程材料为智能微流控,绿色印刷,自清洁涂层,生物医学等领域做出了积极贡献。但是,很多材料表面性质的动态变化通常是非原位实现的,限制了它们的潜在应用。除此之外,目前大部分表面虽然可以用于液滴转移,但却缺乏分析液滴特性并分类的能力。

武汉大学薛龙建教授课题组(NISE-Lab)结合荷叶润湿性的各向同性与蝴蝶翅膀润湿性各向异性的特点,设计出一种仿生智能表面(TMAS),借助于机械应力,它具有原位可逆操控水滴的能力,并能区分液体的酸碱性以及酸碱强度。

TMAS通过在预拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上接枝三角形微柱阵列而成。调节PDMS薄膜中应力的施加方向及大小,可获得不同排列方式的三角形微柱状阵列。由于三角形本身的各向异性,定义了A和E两个方向。当y方向的周期(Py)由40 μm增至51 μm,A和E方向的滚动角都有缓慢增加的趋势,但两个方向的滚动角无显著性差异,呈现类似荷叶的各向同性润湿性行为。当Py由40 μm 减小至24 μm,A和E方向的滚动角显著增加,尤其是E方向,旋转至180o, 液滴也不会滚落,呈现类似蝴蝶翅膀的各向异性润湿(各向异性度ΔSA=258.3± 2.5°)(图1A)。对于其他形状的微柱设计,例如,圆形、正方形和正六边形,则无法获得各向同性/各向异性润湿性状态的自由转换。

TMAS能够实现各向异性是由于A和E方向上三相线(TCL)的差异。当Py=24 μm时,连续性TCLE的能垒大于离散式TCLA(图1B)。液滴滚向A方向时,由于TCLE的强钉扎力,液滴后退角处的TCL被牢牢钉住,使得液滴无法滚动。转换方向朝E滚动时,后退角处为TCLA,钉扎力弱,液滴在重力作用下严重变形,当达到某一倾角时即可滚落。从A方向无法滚落到E方向易滚落的整个过程中,液滴始终处于Cassie状态,实现了由强黏附到易滚落状态的原位转换。基于原位转换特性,在运输过程中,TMAS可以从不同的倾斜角度抓取液滴,并通过向E方向旋转释放液滴。同时利用A方向上的强黏附力,TMAS可以将液滴运输到一个水平表面,也可以将其运输到倾斜的、垂直的,甚至是倒置的表面上,表现出很大的自由度及容差率(图1C)。利用机械应力可以实时调控前进角与后退角处三相线形态,TMAS因而具备识别酸碱及检测液滴pH的优异性能。当将酸碱液滴置于两种不同周期的TMAS上并缓慢拉伸时,二者都是酸性液滴先滚落,继续拉伸一定程度,碱性液滴才后续滚落,轻松实现对酸碱的识别(图1D)。而对于具有不同pH的两种酸或两种碱,TMAS也可以识别pH大小。当缓慢拉伸TMAS时,强酸和弱碱会优先滚落,弱酸与强碱则随后滚落。

通过结合蝴蝶翅膀与荷叶润湿性特点设计的仿生智能表面实现了瞬时液滴高黏附状态与滚动状态的原位转换,同时拥有多角度抓取及释放、识别酸碱及检测液滴pH的优异性能。该工作对液滴操控、新型化学传感器的研究提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202001650)上。