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北航田东亮课题组《ACS Nano》:在温度响应各向异性阵列表面控制液体传输方向上取得新进展
2019-12-31  来源:高分子科技

  液体的定向输运在无动力液体输送、制备单向阀装置等方面具有广泛的应用前景。研究人员通过改变表面的化学成分和多尺度结构特征,结合表面能和拉普拉斯压力梯度的影响,制备了各向异性浸润性表面,并使其具有快速、连续的自主性单向输水性能。但是,基于各向异性微结构的排列实现对液体运输方向的调控仍具有一定的挑战。

  针对这些问题,田东亮副教授课题组提出了一种通过调整各向异性微结构的排列方式控制液体传输方向的策略,并通过温度响应材料修饰实现了表面液体浸润方向动态调控,同时揭示了其作用机理。

  该课题组制备了一种涂覆着疏水性PMMA膜的各向异性V阵列(PMMA-VPM),与亲水性PVA膜相比,疏水性PMMA膜可以增强V阵列的各向异性润湿和稳定性。通过改变V阵列的排列参数:平行和交错结构,可以在+X或-X方向上对液滴进行定向可控的浸润(图1)。

图1。 各向异性的V阵列(VPM)表面对液滴的定向浸润。(a) 涂覆PMMA膜和PVA膜的VPM表面制备示意图。(b-i) 不同结构VPM表面的浸润行为:(b-e)平行结构和(f-i)交错结构的示意图、SEM图像、涂覆PMMA膜和涂覆PVA膜的接触角(CA)照片。

  在PMMA-VPM表面进一步加入温度响应分子PNIPAAm,构建了温度响应VPM(PMMA/PNIPAAm/TiO2-VPM)表面。通过改变温度成功控制了浸润方向:液滴在15℃时(T<TLCST)呈现亲水双向浸润,在55℃时(T>TLCST)呈现疏水单向浸润(图2)。基于温度响应VPM表面的各向异性浸润,进一步研究了其液体的动态浸润行为(图3)。可以发现,通过调节温度可以切换液体的各向异性和各向同性浸润,从而调节液体的运动方向。基于以上特性,在温度响应VPM表面设计了微流体通道,实现了不同温度下对液体的单向和双向输运(图4)。

图2. 温度响应VPM(PMMA/PNIPAAm/TiO2-VPM)表面对液滴的可控浸润。不同温度下,温度响应VPM表面的(a, b)SEM图、(c,d)示意图及CA照片。表明液滴在15℃时是亲水的双向浸润,在55℃时是疏水的单向浸润。

图3. 不同温度下,温度响应VPM表面的动态浸润行为。(a,b)平行结构。(c,d)交错结构。当55℃时, 液体在(a)平行和(c)交错结构VPM表面呈现方向相反的各向异性润湿。当15℃时,液体在(b)平行和(d)交错结构的VPM表面都呈现各向同性润湿。

图4. 温度响应VPM表面在微流体通道中的定向液体输运。(a,b) 平行结构。液体在55℃时沿+X方向单向输运,在15℃时变为双向输运。(c,d) 交错结构。液体在55℃时沿-X方向单向输运,在15℃时变为双向输运。结果表明,当VPM表面以不同方式排列,T<TLCST时液体呈现双向输运(+X和-X方向),T>TLCST时液体呈现单向输运(+X或-X方向)。

  该研究重要意义在于,在排列方式可调的温度响应VPM表面,实现了可切换方向的液体输运。结果表明,通过改变V阵列的结构参数,可以控制液滴的浸润方向(+X或-X方向)。同时还可以通过调整温度来控制液滴的单向和双向输运(+X/-X和±X方向)。这项工作在机械工程领域,如在非动力输送系统、自动润滑、生命流体医疗器械等微流控设备中具有广阔的应用前景。

  以上相关成果发表在ACS NANO (10.1021/acsnano.9b09137)上。论文的第一作者为北京航空航天大学化学学院博士生张秋雅,通讯作者为田东亮副教授

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