Angew. Chem. Int. Edit.：完全润湿液体在仿生表面的单向运输

【引言】

在不加外力的情况下使液体在固体表面单向运输会改善一系列技术，如生物流体装置、自润滑和高分辨印刷。自然界中很多的生物表面可以利用微尺度上的形貌和润湿性能来控制流体的运输，通过模仿这些表面，已经出现了几种方法来实现液体的择优运动。但是这些方法在实际应用中会存在几个缺点：1.运动的幅度小；2.要外部输入能量来激发它们的运动；3.凹槽结构各向异性的润湿性能的左右对称性限制了它们的运输能力。

【成果简介】

受到液体在翼状猪笼草开口部表面自发单向运输机制的启发，中科院理化技术研究所李储鑫和李宁（共同第一作者），董智超和北京航空航天大学的陈华伟（共同通讯作者）等人在江雷院士指导下利用高分辨立体光刻技术制备了具有不同表面能的微空腔阵列来模拟猪笼草开口部的表面形貌。这种表面在没有能量输入的情况下可以实现单向的液体运输，具有不同表面张力和粘度的液体都可以在上面单向运输。作者还研究了单向运输的机理，并且利用这种机制成功使液体在螺旋中向上流动。

【图文导读】

图1 仿生表面的截面图

液体在表面中向左运动，而不能向右或者其它方向运动

图2液体在仿生表面的单向运输

（a）仿生表面的图像；

（b，c）分别是仿生表面横截面的显微CT和SEM图；

（c）拱形空腔尾部半径小于1μm的尖锐突出部分，可以降低液体在尾部的溢出；

（d-g）水滴和连续液体在表面单向运输随时间的演化；

（d，e）染色水滴在仿生表面单向运输的原位观察，水滴（20.0 μL）在单个空腔内的平均运输速度可以达到50.0 mms^-1；

（f，g）连续添加时，水滴可以单向运输。

图3 单向运输距离与时间的关系

（a）20μL水在具有不同润湿性的表面上的单向运输；

（b）20μL表面张力从 9.5 到72.0 mNm^-1的非粘滞流体在亲水（红色）和疏水（绿色）表面上自发单向运输，完全润湿的液体 FC-72仍然能够以最快的速度单向运输；

（c，d）分别为粘度从 0.3 到 96.0 mP的粘滞性流体在超亲水和超疏水表面上伸展。

图4 单向运输时液体润湿状态的三维示意图

（a）2.0 μL 和0.5 μL乙二醇滴在仿生表面上；

（b）由于尾部的尖锐边缘，液体不能流过突出部分；

（c）从S1到S2，上面的液体超出和流过突出部分并且将上面的空腔填满，然而液体在相反或垂直方向不能流动。液-固接触线被固定在空腔的轮廓线上；

（d）液体在表面上的前进和后退接触角的侧面（d1）和横截面图（d2）。

图5 液体在上升螺旋和阿基米德螺旋线的单向运输

（a）科隆大教堂喷泉的光学图，上面的液体可以沿着螺旋线向下运输；

（b）上升螺旋的侧视图，螺旋的上升高度为10mm；

（c）将染色的水滴连续滴在螺旋的中心，水滴能够沿着螺旋线上升而不会后退，1min以内水滴流过45cm的距离以及升高了1cm；

（d）鹦鹉螺旋； （e）阿基米德螺旋；

（f）150μL染红的十六烷能沿着阿基米德螺旋线运输而不会后退也不会超出上面的图案。

文献链接：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组陈昭铭供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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