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中科院深圳先进院杜学敏/港城大王钻开Science Advances：光诱导带电润滑表面

研之成理 · 公众号 · · 2022-07-15 12:09

正文

▲第一作者：王芳，刘美金

通讯作者：王钻开教授，杜学敏研究员

通讯单位：中国科学院深圳先进技术研究院，香港城市大学

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp9369

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背景介绍

表面无处不在，其为生命物质和非生命物质的质量与能量交换提供了独特的界面。过去十多年，作为两种典型的界面材料——润滑表面与超疏表面，在自清洁、液滴冷凝、防冰与防污等领域取得重大进展。与超疏表面不同的是，润滑表面通过润滑层的设计以取代超疏表面的微气孔，便引入如自愈合、防冰、防挥发等新功能。然而，润滑层的引入也同样带来新的问题：一方面，润滑层的存在会导致固体表面的结构梯度或电荷梯度被屏蔽，使得通过表面梯度操控液体面临挑战；另一方面，润滑层的存在也使得通过外场主动操控液体变得困难。这些问题极大制约了润滑表面的液滴操控及其实际应用。

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本文亮点

鉴于此，研究团队构建了一种基于智能高分子材料的新型润滑表面——LICS，通过智能高分子材料的光热诱导表面电荷高效、持续、稳定再生能力，能有效消除润滑层对表面电荷的屏蔽效应，实现液滴高速、长距离、反重力、简单液体到复杂液体、单个到多个液滴、微观到宏观尺度液滴、平面到曲面基底、开放到封闭体系的精准操控，而且还能进一步拓展到诊断与分析等生物应用。具体概述如下：

1. 智能高分子材料润滑表面（L ICS ）：

构建了基于优异光热效应的液态金属与独特铁电效应的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（LMP/P(VDF-TrFE)）聚合物复合的新型润滑表面，两者协同能将光热转变为表面电荷。

2. 消除润滑层对电荷屏蔽效应 ：

LICS在0.5 s的近红外光辐照下（100 mW/mm ² ），即可产生表面电荷密度高达1280 pC/mm ² ，且电荷再生性能在持续10000次近红外光开/关循环或浸泡在硅油中长达6个月均无明显衰减。

3. 全新液滴操控与生物应用 ：

LICS采用手持激光笔即实现开放体系下液滴高速（平均速度：18.5 mm/s）、长距离、反重力、简单液体到复杂液体、单个到多个液滴、微观到宏观尺度液滴、平面到曲面基底、开放到封闭体系的精准操控，同时还可实现封闭体系下凝血检测、原位细胞刺激与细胞响应监测等生物应用。

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图文解析

与传统润滑表面不同的是，LICS由三种核心元素组成：具有优异光热效应的液态金属颗粒（LMPs），和具有独特铁电效应的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）聚合物——两者协同能将光热转变为表面电荷，及用于锁住润滑层的喷涂有疏水二氧化硅纳米颗粒的微锥阵列结构。研究发现，不同种类液体如水、乙二醇、聚苯乙烯乳液、血液等在其表面均有较小的接触角滞后（< 2°）；在移动的近红外光照射下（808 nm），LICS实现液滴高速（平均速度：18.5 mm/s）、长距离、反重力运动。

▲图1. LICS设计。（A）传统润滑表面通过倾斜基底利用液滴重力驱动液滴示意图；（B）LICS通过光驱动液滴示意图；（C）大面积制备LICS：6英寸LMP/P(VDF-TrFE)复合薄膜及其表面微纳结构扫描电镜图；（D）液态金属颗粒在LMP/P(VDF-TrFE)复合薄膜中的分布；（E）光控液滴在倾斜40°的LICS上的爬坡运动；（F）光控液滴在垂直LICS上的反重力运动；（G）与相关液滴操控工作进行比较。

卓越的液滴操控效果源于LICS 优异的电荷再生能力。得益于液态金属颗粒高效光热和导热性能、聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物的独特铁电效应，及两者之间优异的界面亲和性，LICS在0.5 s的近红外光辐照下（100 mW/mm ² ），即可产生表面电荷密度高达1280 pC/mm ² ，而且电荷再生性能在持续10000次近红外光开/关循环或浸泡在硅油中长达6个月均无明显衰减。

▲图2. LICS电荷再生。（A）光诱导LICS电荷产生与消失示意图；（B）近红外光照下LICS温度分布图；（C）不同液态金属含量的LICS在光照下温度随时间变化；（D）LICS在不同光照强度下的温度随时间变化；（E）光诱导表面电荷密度随液态金属含量与光照强度升高而增加；（F）LICS在10000次的NIR光开/关循环下仍保持优异且稳定的电荷再生能力。

通过麦克斯韦应力张量模型分析表明，液滴在LICS表面同时受到马拉格尼作用力与介电泳力，且介电泳力大小与方向可通过液滴尺寸（R）、光斑尺寸（R ₀ ）及液滴与光斑中心距离（L）来进行调节，并通过实验结果进一步验证了理论分析。

▲图3. LICS液滴驱动机制。（A）光热诱导的马拉格尼作用力与介电泳力共同作用液滴示意图；（B）模拟仿真温度分布；（C）模拟仿真电势分布；（D）计算获得的马拉格尼作用力、介电泳力及两者合力图；（E）液滴操控相图。

LICS的独特优势可实现润滑表面全新的液滴操控效果。研究发现，通过单束激光能同时实现三颗液滴（2 μL）集体定向、精准融合；LICS还能有效贴合在曲面基底上，实现曲面上液滴的操控与融合；此外，LICS还可以用于高粘度液体——2.0 wt%海藻酸钠与0.9 M氯化钙液滴的操控、融合，并组装成特定形貌水凝胶。LICS卓越的液滴操控特性还可拓展到以固体石蜡为润滑层的润滑表面，利用固体石蜡的温度变化触发可逆液-固相转变，同样可以实现液滴在水平与垂直LICS上的操控。

▲图4. LICS在开放体系下的液滴操控。（A）3颗液滴集体操控、精准定向融合；（B）液滴在曲面的LICS上操控融合；（C）LICS用于液滴融合凝胶化，并组装成特定形貌水凝胶。

基于LICS的柔性与共形特性，LICS还可以封装成密闭的微流控芯片。利用手持激光笔即可实现LICS芯片内的液滴快速、精准穿越迷宫。LICS芯片内的无接触、远程光驱动液滴功能，既能防液滴挥发，又无需在液滴中添加辅助液滴运动的物质，避免了交叉污染，在凝血检测等生物应用方面展现出优异的可靠性；此外，利用LICS实时光热诱导表面电荷产生特性，还成功实现了LICS芯片内的细胞实时刺激与细胞响应原位监测。

▲图5. LICS在封闭体系下的生物应用。（A）封装成微流控芯片的LICS；（B）LICS芯片在无需泵的情况下，即可在迷宫型路径中实现液滴精准光控；（C，D）LICS芯片用于凝血检测，较之在开放体系下检测及添加有磁性颗粒的对照组，避免了液滴挥发与交叉污染，体现出卓越的可靠性；（E，F）LICS芯片用于细胞原位刺激与细胞响应监测。

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总结展望

研究团队构建了一种基于智能高分子材料的新型润滑表面——LICS，通过智能高分子材料的光热诱导表面电荷高效、持续、稳定再生能力，能有效消除润滑层对表面电荷的屏蔽效应，实现液滴高速、长距离、反重力、简单液体到复杂液体、单个到多个液滴、微观到宏观尺度液滴、平面到曲面基底、开放到封闭体系的精准操控，而且还能进一步拓展到诊断与分析等生物应用。LICS的高可靠性与稳定性及独特功能，既实现了开发体系下液滴的高效操控，又实现了密闭的微流控芯片内液滴的无泵、远程、防挥发、防污染操控和生物应用；其简单设计与便携式操作和独特功能有望为下一代界面材料和微流体开辟新的途径，为化学和生物医学应用带来全新可能。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp9369

中科院深圳先进院杜学敏/港城大王钻开Science Advances：光诱导带电润滑表面

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