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中科院化学所宋延林研究员课题组实现“覆水可收”
2021-01-20  来源:高分子科技

  近年来液体操控在液体收集、微流控和图案化等领域展现出重要的研究价值。浸润性调控是实现液体操控的重要途径之一。1805年托马斯·杨(Thomas Young)提出杨氏方程,阐明液体在固体表面的浸润态取决于相界面张力的平衡关系。理想情况下,只需调控任一相界面张力,液体的浸润态就可以发生显著改变。已经发展的浸润性调控手段主要利用固体表面修饰,如分子层修饰和表面微结构,但面临处理流程复杂和成本高昂等问题。由于气液界面修饰手段有限且难以稳定,直接调控气液界面实现浸润性转变仍是一个挑战。


  宋延林研究员课题组多年来专注于液滴精确操控、气泡和流体的图案化研究。近期他们发现在小分子气氛诱导下,液体表现出了明显的响应性浸润态转变,可实现“覆水可收”。小分子气氛包括短链醇类、酮类和酸类等。响应性浸润态转变受液体内部马拉格尼效应(Marangoni effect)控制,具备实时气氛响应性。这一发现为液体行为操控提供了新的思路和手段。


图1. 气氛诱导液滴浸润性转变、滑移和感应性


  如图1所示,在空气中引入一定浓度乙醇气氛(> 0.5 kPa)时,超亲基底上的水滴将会出现显著的接触角增大现象。这一现象广泛存在于低表面张力小分子气体和高表面能液体之间。以乙醇气氛和水滴为例,受气液界面吸附和液体相分子扩散的影响,乙醇分子在液滴的表面浓度由三相线到中心递减,造成局部的张力降低并诱发向液滴中心的马拉格尼流。定向的马拉格尼流使液滴展现出收缩态。收缩态液滴的滚动角低至1°,展现出高滑移性。此外,气氛环境下液滴间具有远程吸引和自发聚并行为,这些特性为后期的液体操控奠定了基础。


  固体表面的薄液膜的回收一直是一个难题,即“覆水难收”,而气氛诱导浸润性转变可解决这一难题。如图2所示,他们通过自制的气氛诱导液体回收装置,可在数十秒内对4 cm2的水、DMF和乙二醇薄液膜实现高达95%的回收率。对于更加复杂的随机分散液膜,气氛诱导回收装置也可实现超过90%的回收率,同时起到固体表面清洁的作用。此外,液滴远程吸引和高滑移性为构建液滴微流体和液滴反应提供了可能。通过构建Y型通道,实现了气氛诱导下液滴间的混合反应。利用液滴间自发聚并和响应性收缩,构建了便捷的液滴反应,可极大降低微量反应的成本。


图2. 气氛诱导的液体回收、液滴微流控和液滴反应


  此项研究在液体回收、液滴操控及固体表面清洁等方面具有重要意义和价值。利用气氛诱导的浸润性转变,有望实现稀有液体资源再回收和特定基底表面清洁。气氛诱导的浸润性转变作为一种新的去浸润控制手段,有望用于功能材料的动态图案化和非接触印刷。


  此论文发表在ACS Applied Materials & Interface (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c20546)上。论文的第一作者为中科院化学所宋延林课题组博士后李正博士,共同第一作者为西安大略大学杨军教授课题组博士后黄占东博士,通讯作者为中科院化学研究所宋延林研究员乔雅丽研究员


  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c20546 

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