表面电荷密度梯度驱动使液滴“跑得”更快更远学术资讯

新机制可以在没有额外能量输入的情况下，以创纪录的速度和距离在垂直面上移动液滴。

如果没有附加力的帮助，即便只是在重力作用下想在固体表面以高速率、长距离输送液滴，也是一项极为艰巨的任务。sciencedaily.com网站7月22日报道，《自然·材料》杂志发文称，中国香港城市大学机械工程系教授Wang Zuankai，中国电子科技大学教授Xu Deng和德国马克斯·普朗克聚合物研究所教授 Hans-Jürgen Butt等领导的研究团队，设计了一种新型的机制来实现无额外能量输入情况下液滴的长距离、高速输送。在这种机制下，Wang等甚至首次实现了液滴在垂直方向上的快速、远距离移动。这种控制液滴运动的新方法在微流体和生物分析等领域具有广阔的应用前景。

传统的液滴输送方法主要是利用液滴表面的润湿梯度产生诱导驱动力来使液滴从疏水表面向亲水表面移动。然而，支撑液滴移动的流体动力学存在相互制约：高速输送液滴需要较大的润湿梯度，但会使运输距离受限；而长距离运移液滴需要减小润湿梯度以减弱液-固界面的附着力，这对输送速度又造成了不利影响。Wang等设计的液滴输送策略，实现了液滴在不同基质上的单向自驱动输送，输送速度达到了创纪录的1.1 m/s，是文献报道速度的近10倍。并且从原则上讲，输送距离是不受限制的。

Wang等的研究取得突破的关键，在于首次通过液体接触操控表面电荷。研究人员首先将一串液滴滴向此前开发的超双疏表面，液滴撞击到超表面时，会立刻扩散、收缩并弹回。这导致电子从液滴中分离出来，并使受到影响的表面带负电荷。通过调节液滴的滴落高度，表面电荷密度会发生变化，进而形成电荷密度梯度。随后，当液滴再次滴到超表面时，表面电荷密度梯度会产生驱动力作用，推动液滴向高电荷密度方向移动。

与化学梯度或形貌梯度的高稳定性不同，电荷密度梯度的调控性非常好，研究人员可以很轻松地对液滴运动路径进行重新调整。Wang等在实验中发现，液滴的高速、远距离输送可以在室温下完成，并且不需要额外的能量。更重要的是，这种输运液滴的方法不仅可以用于水平面，还可以用于垂直表面。此外，该方法适用的液体范围也很广，除水以外，还可以用于低表面张力、低介电常数的溶液。

Wang说：“我们利用表面电荷密度梯度来控制液滴传输的创新性研究，有望开辟新的研究和应用方向。例如，在生物医学中，设计具有特殊电荷密度梯度的表面可能会影响细胞迁移等行为。”Deng补充说：“这一创新性研究还可以用于微流体芯片实验室、生物分析、材料学和流体动力学等领域。”

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编译：雷鑫宇

审稿：三水

责编：唐林芳

期刊来源：《自然·材料》

期刊编号：1476-1122

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/07/190722111916.htm