开放式微流控技术在生物检测和化学合成等领域展现出广阔的前景，但其液体操控仍面临显著挑战。功能性结构化表面因其出色的液体控制能力而备受关注。在这一技术中，磁场、光场、电场和热场等外部场发挥着关键作用。其中，热场因其调控简便和响应迅速，在早期液体操控中展现出独特优势。然而，与其他外部场相比，热场与微结构之间的耦合机制尚未得到充分研究，这限制了其在复杂微流控系统中的进一步应用。

  近日，香港大学的Alan C. H. Tsang教授团队在《Nano Letters》上发表了题为“Competition and Synergy in Programmable Open Microfluidics: Thermal Fields vs Structural Heterogeneities”的研究，并被选为封面文章。研究团队构建了一种基于温敏高分子PNIPAM接枝的异质结构表面，通过全局和局部热场调控表面润湿性，实现了液体的定向传输与可编程操控。该系z统揭示了热场与结构之间竞争与协同的新机制，显著提升了抗重力输运能力，并演示了多级化学反应的空间时序控制。

  首先，图一展示了PNIPAM接枝结构化表面的制备流程与材料表征。该结构化表面通过3D打印构建，随后进行氧等离子处理、光引发剂涂覆和UV诱导接枝，成功制备出温敏表面。FT-IR和AFM的表征结果证实了PNIPAM的成功接枝。接触角测试表明，在32^oC（PNIPAM的最低临界共溶温度）附近发生了亲疏水转变，并在45^oC以上达到稳定的疏水状态（此处的疏水状态是指材料的疏水状态，而最终的表面接触角约为90^o，即亲疏水的几何临界定义点），这表明材料具备良好的温控响应性和稳定性。基于SEM和3D激光扫描显微镜的形貌分析展示了不同表面结构的高精度制造。

图1. PNIPAM枝接结构化表面的制造和表征。

  在确认材料的基础性能后，该研究进一步探讨了该温敏表面在不同工况下的液体操控行为。图2展示了不同结构化表面（α = 45°/90°/135°）在25°C（亲水态）与50°C（疏水态）下的液体运输行为。低温下，倾斜结构（α ≠ 90°）通过非对称的Laplace压力差实现定向输运；而在高温下，疏水表面则通过尖端异质性逆转液体的运动方向。在无倾斜结构下（α = 90°），曲率特征在界面疏水状态下提供了较高的异质性界面阻力，也允许定向的液体操控。这些结果表明，温度调控可以实现对液体输运方向的选择性控制，凸显了热场与结构耦合的灵活性，为后续局部热场的精确干预奠定了基础。

图2. 结构化表面上的热调节定向液体动力学。

  通过引入局部热梯度，图3揭示了热场与结构之间的竞争与协同作用。局部热梯度可以覆盖结构对液体引导的作用，从而抑制液体的运动（竞争作用）。而在逆重力输运实验中，热梯度与结构效应的协同作用显著提升了临界爬升角，从2.3°增加至41.8°。此时，Marangoni力与润湿梯度力共同克服重力，实现了高性能的抗重力输运能力（协同作用）。

图3. 结构效应和热场之间的竞争与协同机制。

  这些发现的重要意义在于，热场不仅可以单向驱动液体，还可以作为一种“编程手段”，与微结构默契配合，在不同场景中分别扮演“主导”或“辅助”角色，从而极大拓展了液体操控的逻辑维度。基于这一认识，图4展示了基于局部加热单元的程序化液体操控能力。通过控制加热单元的启停，实现了多种液体图案，如X形、M形和波形。进一步运用时序控制触发的多级化学反应，体现了该平台在时空液体操控上的高度可编程性，为集成化生化分析与合成提供了新的策略。

图4. 局部调控的可编程开放微流控平台功能演示。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c02353