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

自然界中的流體輸運方式遵循著低耗、高效、定向、智能的基本原則。在之前的研究中，通過合理設(shè)計界面的超浸潤性質(zhì)可以實現(xiàn)對流體的有效操控，包括收集、輸運、合并、釋放等。盡管如此，因為界面本征浸潤性的限制，發(fā)展普適性方法來實現(xiàn)液體在任意界面上的自發(fā)定向輸運充滿挑戰(zhàn)。

面向這一領(lǐng)域難題，南開大學材料科學與工程學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)液體在任意配對界面上的自發(fā)連續(xù)輸運，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大學材料科學與工程學院曹墨源研究員，中國科學院理化技術(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界面研究中，研究人員更加關(guān)注界面之上的自發(fā)輸運過程。當親水界面形成小尺寸毛細結(jié)構(gòu)之時，其對液體的驅(qū)動能力會大大增強。這一點，載玻片和蓋玻片組裝顯微鏡觀測生物樣品的制樣過程，就利用了這個特性。實驗中，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，尤其是在形成局部剛性接觸時，液流輸運會被限制。與此相對，柔性超親水軌道可以與配對界面組裝形成彈性毛細管結(jié)構(gòu)，使得其在液體自發(fā)輸運過程中體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢（圖1a）。柔性超親水軌道可以誘導(dǎo)液流在各種各樣配對界面上（包括極為疏水的聚四氟乙烯、有機硅界面）自發(fā)鋪展/輸運，從而得到開放性的夾層微流體通道（圖1b、1c）。圖1d中簡單對比了一些典型的自發(fā)輸運微流體通道性質(zhì)，該項工作在便捷性、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)及液體輸運效果

通過建模模擬，研究人員也說明了柔性超親水軌道在驅(qū)動液體連續(xù)輸運過程中的優(yōu)勢（圖2a、2b）。在輸運過程中，超親水軌道和配對界面間組成毛細管（厚度~35微米，與配對基底界面性質(zhì)相關(guān)），并且液體自發(fā)輸運速度與配對界面的浸潤性和粗糙度直接相關(guān)（圖2c）。改變超親水軌道的寬度對其輸運速度影響不大，但輸運通量會隨軌道寬度增大而提高（圖2d）。研究人員對此輸運過程進行了理論計算，得到了針對配對基底浸潤性影響輸運動力的關(guān)系方程（圖2e）。同時，通過在配對基底上引入流體“陷阱”，可實現(xiàn)對于流體自發(fā)輸運的速率調(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行為及調(diào)控

所制備夾層型自發(fā)流體輸運通道的一大特點就是其開放性。不同于傳統(tǒng)的微流體通道，開放通道可以更好地發(fā)揮其自發(fā)輸運能力。如圖3a所示，因通道內(nèi)氣壓的原因，流體無法自發(fā)流入封閉通道，只有當通道末端被打開時，流體方可實現(xiàn)快速自發(fā)輸運。以此為原理，研究人員首先設(shè)計了可以自行解迷宮“智能”流體輸運芯片，在氣壓的引導(dǎo)下，液流可以自發(fā)輸運并找到迷宮出口（圖3b）。類似的原理下，在開放界面上的流體輸運也可以通過軌道的尺寸來調(diào)控流體輸運的次序，從而實現(xiàn)液體圖案的按需鋪展（圖3c）。相關(guān)自發(fā)輸運通道也可以被整合形成液流微反應(yīng)器，在藥品原位裝載-開放界面反應(yīng)-自發(fā)輸運等方面展現(xiàn)出獨特的性質(zhì)（圖3d、3e），可以實現(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

開放微通道的另一個優(yōu)勢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，從而實現(xiàn)增強蒸發(fā)（圖4a、4b）和界面降溫（圖4c）的效果。同時，開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開放界面夾層通道的物質(zhì)交換能力和導(dǎo)液功能

簡單的通道結(jié)構(gòu)為進一步將其和已有功能體系整合提供了無限可能。這里，研究人員基于此類通道整合設(shè)計了便攜式電解水微芯片（圖5a、5b）。導(dǎo)電液滴在通道起點被注入后，會自發(fā)分散到兩電極之間的通道中，形成導(dǎo)電通路并啟動電解水反應(yīng)（圖5c）。通過優(yōu)化通道的寬度，可以優(yōu)化界面電解水的效率（圖5d）。因為整個過程不消耗電解質(zhì)，當液滴被消耗光之后，繼續(xù)加入清水便可讓電解水反應(yīng)繼續(xù)，在實現(xiàn)便攜性的同時，最大程度地降低了電解過程的電解質(zhì)使用量（圖5e）。

圖5基于夾層流體通道整合設(shè)計的便攜式電解水芯片

綜上所述，在該項工作中，研究人員以極度簡化的柔性超親水軌道為主體，構(gòu)筑了可自發(fā)定向輸運液體的夾層開放通道，通過合理設(shè)計軌道構(gòu)型以及整合功能，實現(xiàn)了一系列的自發(fā)流體輸運效果，其中一些功能是傳統(tǒng)流控界面無法實現(xiàn)或是需要精密設(shè)計才能實現(xiàn)的。通過在已有體系中引入各種尺度的柔性超親水結(jié)構(gòu)，有利于對其中流體分布、輸運、釋放等過程的優(yōu)化，這都有賴于未來的研究來證明。該工作受到國家重點研發(fā)計劃（2022YFA1504002）、國家自然科學基金項目（52373247，22075202，52203224）以及南開大學科研啟動經(jīng)費的支持。

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



審核編輯：劉清