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  液滴自輸表面可在不需外部供能（如光、電、磁等）的條件下實(shí)現(xiàn)液體在表面的定向輸運(yùn)，在微流控、生物分析、微反應(yīng)器、表面防污等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有自輸運(yùn)表面在液體輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生肉眼不可見的微觀液體殘留，即在輸運(yùn)軌道上會(huì)留下大量的微米或納米尺度的微液滴。這些微液滴殘留不僅引起液體輸運(yùn)過(guò)程中的質(zhì)量損失，而且會(huì)導(dǎo)致表面污染失效，嚴(yán)重限制了自輸運(yùn)表面的實(shí)際應(yīng)用。因此，關(guān)于微液滴殘留的形成機(jī)理及抑制策略亟待研究。

  針對(duì)上述問(wèn)題，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院田雪林教授課題組基于微納加工方法制備了具有梯度陣列結(jié)構(gòu)的液體自輸運(yùn)表面，并系統(tǒng)調(diào)查一系列不同表面張力和粘度的液體在表面的輸運(yùn)行為。研究發(fā)現(xiàn)，微觀液體殘留的形成并非前人所報(bào)道的表面接觸角滯后效應(yīng)所導(dǎo)致；該殘留實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕現(xiàn)象，當(dāng)液體的運(yùn)動(dòng)速率超過(guò)某一臨界值時(shí)，其局部動(dòng)態(tài)后退角會(huì)消失并在液體后退端產(chǎn)生一層薄夾帶液膜，該液膜由于瑞利破裂進(jìn)而形成微觀殘留導(dǎo)致輸運(yùn)損失。通過(guò)深入分析，田雪林教授課題組進(jìn)一步提出了實(shí)現(xiàn)液體無(wú)損輸運(yùn)的準(zhǔn)則，指出毛細(xì)數(shù)Ca(正比于液體的黏度及運(yùn)動(dòng)速率反比于液體的表面張力）、液滴在表面的本征后退角qR,0，以及固液界面的滑移長(zhǎng)度Yw是決定微液滴殘留形成與否的關(guān)鍵參數(shù)。只有當(dāng)Ca/qR,0³  小于特定臨界值時(shí)，微觀液體殘留才能被抑制，該特定臨界值取決于界面滑移長(zhǎng)度Yw和體系的邊界條件。

  此外，研究還發(fā)現(xiàn)，具有低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的“類液體”高分子刷修飾的自輸運(yùn)表面可有效抑制微觀液體殘留的形成。“類液體”高分子刷一方面可降低表面的本征后退角，另一方面可通過(guò)界面潤(rùn)滑作用來(lái)增加滑移長(zhǎng)度，兩者共同作用可以顯著提高表面形成微觀液體殘留的臨界毛細(xì)數(shù)。因此，接枝“類液體”高分子刷為抑制表面微液滴殘留實(shí)現(xiàn)無(wú)損液體輸運(yùn)提供了一種有效策略。

表面液體輸運(yùn)過(guò)程中微觀殘留的形成機(jī)制及抑制策略

  相關(guān)研究成果以題目為“Lossless Fast Drop Self-Transport on Anisotropic Omniphobic Surfaces: Origin and Elimination of Microscopic Liquid Residue”于2019年5月8日在線發(fā)表在材料學(xué)國(guó)際著名期刊Advanced Materials (Adv. Mater. 2019, 1901417，影響因子：21.950)。該工作也得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)，其中一審稿人評(píng)論該研究“is a very important milestone to the field of liquid transport”。課題組黃世琳副研究員為論文第一作者，田雪林教授為通訊作者。課題組前特聘研究員李娟博士（目前已調(diào)離中山大學(xué)任廣東省科學(xué)院“百人計(jì)劃”研究員）為論文共同通訊作者。

  上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、青年千人計(jì)劃、“珠江人才”計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目和光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901417