【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，國家納米科學中心研究人員在化學異質(zhì)平面拓撲浸潤態(tài)方面取得新進展，相關(guān)研究成果以“Tunable Topological Wetting State of Water Droplets on Planar Surfaces: Closed-Loop Chemical Heterogeneity by Design”為題，在線發(fā)表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。
 

　　液滴浸潤作為一個跨世紀的重要科學領(lǐng)域，廣泛應用于自清潔、抗結(jié)冰、噴墨打印和材料制造等領(lǐng)域。如何產(chǎn)生可控的液滴形態(tài)，仍是當前研究的重點之一。特別是制造大小、形狀和接觸角可控的液滴，對微反應器、生物傳感器和微液滴化學等領(lǐng)域的應用至關(guān)重要。研究團隊揭示了化學異質(zhì)平面上拓撲浸潤態(tài)的形態(tài)和轉(zhuǎn)變動力學，提出了基于閉環(huán)化學異質(zhì)平面設(shè)計實現(xiàn)液滴調(diào)控。
 

　　在前期工作中，研究團隊通過理論模擬揭示了表面粗糙結(jié)構(gòu)的拓撲屬類對浸潤的決定性影響，提出了“拓撲浸潤態(tài)”概念(J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 18491-18502)。隨后，他們通過實驗驗證了具有同心閉環(huán)微壁/微通道結(jié)構(gòu)的粗糙表面上存在拓撲浸潤態(tài)，提出了利用拓撲浸潤對微液滴尺寸、形狀和接觸角進行精確調(diào)控。并發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)用于預測宏觀液滴接觸角的吉布斯方程在微納尺度可能會失去適用性(Proc. Natl. Acad. Sci. 2024,121,e2315730121)。然而，由于粗糙表面在易磨損的應用場景中存在限制，近期研究人員將目光轉(zhuǎn)到化學異質(zhì)平面上。如果液滴在平面上也存在拓撲浸潤態(tài)，那么就能規(guī)避粗糙結(jié)構(gòu)易磨損的問題，在液滴調(diào)控方面展現(xiàn)獨特的優(yōu)勢。
 

　　針對上述問題，研究團隊通過理論模擬，設(shè)計了由超親水和疏水性質(zhì)的同心圓周納米條帶交替排列的化學異質(zhì)平面(圖a)。水滴在這類表面上表現(xiàn)出多個拓撲浸潤態(tài)，其與表面的接觸形狀可以通過設(shè)計閉環(huán)納米帶的形狀調(diào)控，而接觸角則依賴于閉環(huán)形狀、水滴的初始位置、水與疏水粒子的相互作用，以及親疏水納米帶的寬度。有意思的是，浸潤態(tài)轉(zhuǎn)變動力學依賴于閉環(huán)納米帶的形狀。在圓形閉環(huán)異質(zhì)平面上，水滴平衡后的三相接觸線會釘扎在單一納米帶的邊界，形成單環(huán)浸潤態(tài)。隨著液滴增大，其會經(jīng)歷鋪展程度逐漸變大的多個單環(huán)浸潤態(tài)，如loop-(n-1) 態(tài)、loop-n態(tài)等。而在方形閉環(huán)納米帶表面上，不僅存在單環(huán)浸潤態(tài)，也存在跨兩個或多個閉環(huán)的多環(huán)浸潤態(tài)，如loop-(n-1)-n態(tài)、loop-n-(n+1)態(tài)、loop-(n-1)-n-(n+1)態(tài)等，尤其是在兩個單環(huán)浸潤態(tài)之間的過渡區(qū)(圖b)。這與前期報道的閉環(huán)粗糙表面誘導的拓撲浸潤態(tài)有很大不同。對后者而言，液滴只存在單環(huán)浸潤態(tài)。
 

　　為了驗證平面上的拓撲浸潤態(tài)，研究團隊利用光刻微加工技術(shù)制備了具有同心閉環(huán)Si/Au微米帶的化學異質(zhì)平面，結(jié)合紫外/臭氧處理，使交替排列的微米帶本征接觸角分別達到0°和32.4°。水滴實驗表明，在這類化學異質(zhì)平面上存在多個拓撲浸潤態(tài)(圖c)。浸潤態(tài)轉(zhuǎn)變的動力學、單環(huán)浸潤態(tài)、以及跨多個閉環(huán)的多環(huán)浸潤態(tài)，也與理論模擬結(jié)論吻合。最后，研究人員進一步分析了水滴三相線附近的毛細力平衡，揭示了拓撲浸潤態(tài)的形成和轉(zhuǎn)變機理(圖d)。
 

　　該工作不僅拓展了表面科學的基礎(chǔ)理論，還在微納液滴化學反應的精確控制、高分辨打印和表面包覆等領(lǐng)域展現(xiàn)了潛在的應用前景。
 

　　國家納米科學中心王世嫻博士和寧波大學林冬冬副研究員為論文的共同第一作者，國家納米科學中心高玉瑞研究員、香港城市大學曾曉成教授和賓夕法尼亞大學Joseph S. Francisco教授為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、香港特區(qū)“杰出創(chuàng)科學人計劃”和研究資助局的資助。
 

圖: 水滴在閉環(huán)的化學異質(zhì)平面上的拓撲浸潤態(tài)