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杭州师范大学由吉春教授:形状记忆蜂巢表面实现液滴自动转弯
2020-09-05  来源:高分子科技

  液滴的定向输运在水收集、纳米反应器等方面具有重要应用。众所周知,液体在固体表面的浸润行为主要受表面化学组成和微纳结构两方面的影响。因此,构建微纳结构/化学组成的各向异性基底是实现液滴定向输运的有效策略。然而,在此类基底上实现更加复杂的液滴可编程输运(如自动转弯)仍然是一个巨大的挑战,其主要原因是液滴滚动角和接触角的矛盾。一方面,实现液滴滚动要求增大接触角,以减小滚动角;另一方面,液滴的可控运动要求减小液滴接触角,以增强基底对液滴的控制能力。


  面对这一挑战,杭州师范大学由吉春教授课题组在具有蜂巢结构(Breath Figure方法构建)的聚乳酸薄膜上,基于其形状记忆特性,通过单轴拉伸系统调控了孔的几何形状及液滴的各向异性浸润行为,并实现了液滴的自动转弯(图1)。具体而言,在较低拉伸比下,拉伸方向与垂直于拉伸方向的接触角差异过小,液滴在重力作用下竖直滚动(图1a)。随着拉伸比的提高,强烈拉伸的微纳图案导致液滴沿拉伸方向的接触角降低,从而增强了液滴与固体基底的接触,提高了对液滴运动的控制能力,在适宜拉伸比下,可实现液滴沿指定方向的自动转弯(图1b)。它们之间可逆转化可以通过形状记忆效应在单轴拉伸和回复的过程中实现。


图1 液滴在各向同性、各向异性表面输运的模型示意图


  通过Breath Figure方法,研究者成功制备了具有六方堆积的表面多孔结构(图2a)。因聚乳酸中的微晶/无定形网络的存在,该多孔膜具有良好形状记忆性能。如图2红色箭头所示,通过单轴拉伸(高温)和固定(低温),孔结构从圆形变为长条性;经热刺激和回复作用,上述孔结构可以回复至初始状态(如图2蓝色箭头所示)。在拉伸与回复过程中,通过拉伸比可以精确控制孔结构及其长径比。


图2 聚乳酸膜在不同比例拉伸下的SEM和AFM图


  在上述多孔膜表面,当宏观拉伸比例大于1时,液滴在其表面呈现椭球形(示意图与实物俯视图分别如图3a和b所示),随着拉伸比的提高,两个方向接触角的差异拉大(如图3c-3e所示),在DR=2。4时,其差值接近40°(图3c,3e)。 


图3拉伸膜表面浸润性的各向异性示意图(a)、膜浸润性的各向同性,各向异性接触角(b)、拉伸膜表面浸润性的宏观图(c)、膜浸润性的各向异性随着拉伸比的变化图(d)、聚乳酸膜形状记忆性能的测试(e)


  将上述具有取向结构(拉伸比为2.4)的多孔膜倾斜放置,液滴沿着其微观结构方向滚动(而不是沿重力方向,视频1)。为考察其自动转弯能力,研究者将两张膜以一定的角度组合在一起(如视频2右上角插图所示),在该V型膜表面,成功实现了液滴的自动转弯(视频2)。该工作阐明了接触角在液滴可编程输运中的核心作用,所得结果在微流体控制以及纳米反应器等方面具有广阔的应用前景。


  以上研究成果近期以“Switchable Isotropic/Anisotropic Wettability and Programmable Droplet Transportation on Shape-memory Honeycomb”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。该工作的第一作者为杭州师范大学硕士生张良,通讯作者为杭州师范大学由吉春教授,该工作获得了国家自然科学基金(51973048)的支持。


  相关进展:https://doi.org/10.1021/acsami.0c11224

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(责任编辑:xu)
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