北航衡利苹/理化所董智超 Adv. Mater.：循环充放电的液滴实现无限自驱动

2024-02-01 来源：高分子科技

与装配有复杂控制系统的主动操纵不同，快速、持久的液体自驱动在热量传递、病理自检等领域具有不可替代的作用。因此，为了打破界面对液滴的接触线钉扎，研究人员在固体表面预先设计了各类异质性结构，或不对称的化学、电荷密度梯度，使液滴自发朝表面能更高的区域进行移动。然而，作为一把双刃剑，表面液滴尽管可以在梯度化界面上实现初步运动，但不对称的梯度密度始终有其相应的极限，使液滴仅能在短距离内进行传输。同时，为了保证液滴的传输速度与效率，更高的密度梯度进一步压缩了液滴的运输空间。因此，如何在保证传输效率的同时，大幅提高液体的自输运距离成为了一个亟待解决的难题。

近期，北航/理化所江雷院士团队的衡利苹教授、董智超研究员在超疏水界面上设计了一种对称的波状交替电势（WAP），实现了液滴的超长距离（> 1000 mm，图1）自输运。通过系统性研究图案化电势与液滴之间的相互作用及运动机理，作者提出了一种电荷转移机制，并总结了两种不同的液滴运行模式：当液滴位于递增电势时，中性液滴被更高的电荷密度所吸引，并被转移了相同的电荷；而当液滴运动到递减电势上时，同性的带电液滴则产生了排斥作用，从而突破了非对称性梯度所带来的密度极限（图2）。因此，通过对液滴进行循环充放电，即可在对称的交变电势上，实现无限距离的超快自驱动，且没有速度衰减（图3）。此外，通过对表面电势的图案化印刷以及正负电势的重排组合，自输运的液滴可实现复杂的液体逻辑门、液体二极管及灵活的图案化运动等（图4）。将该策略与微流控芯片相结合，有望应用于化学合成、细胞培养和自检试剂盒等应用。该工作以“Infinite Self-Propulsion of Circularly On/Discharged Droplets”为题发表在《Advanced Materials》上，第一作者为北京航空航天大学韩霄博士。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1. 波状交替电势的非接触印刷及表面液滴自驱动

图2. 液滴在电势表面的两种运动机制

图3. 循环充放电的液滴在波状电势表面实现超长自驱动

图4. 液滴在电势图案化表面的灵活驱动及应用

衡利苹教授致力于智能响应界面及仿生粘附性调控的研究，在前期研究工作的基础上（J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 6420; Adv. Funct. Mater., 2023, 33, 2306806; Adv. Funct. Mater., 2022, 22, 2207738.），通过构筑智能高分子复合界面实现对流体运动的调控，并把该类智能界面应用到微流控芯片及自检试剂盒中，实现微型界面反应和水的净化等。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202311729

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（责任编辑：xu）

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