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2019-06-09
液滴自输表面可在不需外部供能（如光、电、磁等）的条件下实现液体在表面的定向输运，在微流控、生物分析、微反应器、表面防污等领域具有广泛的应用。然而，现有自输运表面在液体输运过程中会产生肉眼不可见的微观液体残留，即在输运轨道上会留下大量的微米或纳米尺度的微液滴。这些微液滴残留不仅引起液体输运过程中的质量损失，而且会导致表面污染失效，严重限制了自输运表面的实际应用。因此，关于微液滴残留的形成机理及抑制策略亟待研究。
针对上述问题，中山大学材料科学与工程学院田雪林教授课题组基于微纳加工方法制备了具有梯度阵列结构的液体自输运表面，并系统调查一系列不同表面张力和粘度的液体在表面的输运行为。研究发现，微观液体残留的形成并非前人所报道的表面接触角滞后效应所导致；该残留实际上是一个动态润湿现象，当液体的运动速率超过某一临界值时，其局部动态后退角会消失并在液体后退端产生一层薄夹带液膜，该液膜由于瑞利破裂进而形成微观残留导致输运损失。通过深入分析，田雪林教授课题组进一步提出了实现液体无损输运的准则，指出毛细数Ca(正比于液体的黏度及运动速率反比于液体的表面张力）、液滴在表面的本征后退角qR,0，以及固液界面的滑移长度Yw是决定微液滴残留形成与否的关键参数。只有当Ca/qR,03 小于特定临界值时，微观液体残留才能被抑制，该特定临界值取决于界面滑移长度Yw和体系的边界条件。
此外，研究还发现，具有低玻璃化转变温度的“类液体”高分子刷修饰的自输运表面可有效抑制微观液体残留的形成。“类液体”高分子刷一方面可降低表面的本征后退角，另一方面可通过界面润滑作用来增加滑移长度，两者共同作用可以显著提高表面形成微观液体残留的临界毛细数。因此，接枝“类液体”高分子刷为抑制表面微液滴残留实现无损液体输运提供了一种有效策略。
表面液体输运过程中微观残留的形成机制及抑制策略
相关研究成果以题目为“Lossless Fast Drop Self-Transport on Anisotropic Omniphobic Surfaces: Origin and Elimination of Microscopic Liquid Residue”于2019年5月8日在线发表在材料学国际著名期刊Advanced Materials (Adv. Mater. 2019, 1901417，影响因子：21.950)。该工作也得到了审稿人的高度评价，其中一审稿人评论该研究“is a very important milestone to the field of liquid transport”。课题组黄世琳副研究员为论文第一作者，田雪林教授为通讯作者。课题组前特聘研究员李娟博士（目前已调离中山大学任广东省科学院“百人计划”研究员）为论文共同通讯作者。
上述研究工作得到国家自然科学基金、青年千人计划、“珠江人才”计划、广东省自然科学基金等项目和光电材料与技术国家重点实验室的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901417
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