南航张浩然/潘蕾课题组 JCIS：倾斜表面上的光驱动液滴爬升与自发固定

2025-03-26 来源：高分子科技

液滴在固体表面的精准操控是微流控芯片、雾水收集、生化检测等领域的核心技术。传统润滑剂注入多孔表面（SLIPS）虽能通过减小阻力实现液滴爬坡，但因表面粘附力过低（滚动角<5°）导致两大难题：1) 液滴运动稳定性差，易受环境振动干扰；2) 液滴无法自发固定，外界能量中断即发生滑落。如何实现液滴在斜面上的可控运动与自发固定，成为制约该技术应用的关键挑战。

南京航空航天大学张浩然副教授、潘蕾教授课题组报道了一种可控润滑剂注入的褶皱表面，利用润滑剂“半覆盖/半暴露”褶皱结构调控表面粘附力，首次实现了液滴在斜面上的光驱动爬升与自发固定。在红外光驱动下，液滴可在>15°斜面上向上运动；无红外光照时，液滴可自发固定在斜面上，滚动角达50°。该工作揭示了“液滴-润滑剂-固体褶皱”三相界面处的液滴钉扎与驱动机理，实现了水、油等多种液滴在斜面或曲面上的复杂操控，提高了液滴操控技术的适用性和应用潜力。

该成果以"Controllable lubricant-infused wrinkled surface for light-manipulated droplet climbing/pinning on inclined surfaces"为题，于2025年3月21日发表于Journal of Colloid and Interface Science（中科院大类1区，IF=9.4）。本研究获得国家自然科学基金支持，南京航空航天大学硕士研究生张超恒为论文第一作者，张浩然副教授为通讯作者。

首先，利用热缩法制备起伏高度可调的PS-Au褶皱结构，再通过模板复制法转移到Fe₃O₄/PDMS薄膜上，Fe₃O₄微米颗粒的光热转换效应可使薄膜表面局部区域在红外光照射下几秒内升温至160 ℃。随后，在Fe₃O₄/PDMS褶皱表面注入一定量的润滑剂，获得可控润滑剂注入的褶皱表面（Controllable lubricant-infused wrinkled surface，CLWS）。该CLWS表面的设计关键在于精确控制褶皱结构起伏高度和润滑剂注入量的匹配关系，使表面褶皱结构处于被润滑剂“半覆盖/半暴露”状态。由此，表面上的液滴可同时接触润滑剂层以及褶皱凸起部分，从而获得合适的粘附力。无光照条件下，褶皱凸起结构可使液滴牢固钉扎在倾斜表面上，最大滚动角可达50°；当外界红外激光照射在液滴一侧时，产生“光-热-流体运动”多场耦合效应，驱动液滴在斜面上爬升，最大爬坡角可达15°以上。分析液滴爬升机理：一方面，局部光照升温引起液滴内部的马兰戈尼流（Marangoni flow），提供液滴向上运动的驱动力；另一方面，马兰戈尼效应使润滑剂向外扩散，引起液滴下方润滑剂富集，减小液滴运动阻力。当马兰戈尼驱动力大于表面阻力以及液滴重力分量时，液滴便可沿斜面向上爬升。该机理适用于包括水、乙二醇和甘油在内的各种液滴，可实现斜面或曲面上液滴定向移动、“Z”字形转向以及多液滴融合等多种复杂操控。该技术突破有望为智能微流控系统、精准给药装置、自清洁表面等领域的器件设计提供全新思路。

图1. Fe₃O₄/PDMS薄膜可控润滑剂注入表面（CLWS）的制备与表征。

图2. CLWS倾斜表面上光驱动液滴爬升与自发固定。

图3. CLWS表面褶皱结构与润滑剂覆盖程度调控。

图4. 褶皱结构与润滑剂注入量对液滴爬坡/固定性能的影响。

图5. CLWS表面上不同液滴的复杂操控示例。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.137367

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（责任编辑：xu）

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