《ACS AMI》：仿弹尾虫及花瓣效应功能表面用于微液滴操纵及微反应器

自然界中的生物体为了能够很好地适应外界环境，在不断进化中拥有了自己独特的能力。早在宋代就有诗词“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，此句描述的是“荷叶效应”——荷叶表面因其特殊排列的微纳米结构而表现出对水的排斥，这种现象被称为超疏水现象。由于具有超疏水结构的表面在自清洁、抗腐蚀、流动减阻、油/水分离、微反应器和液滴操纵等领域具有较强的应用潜力，因此，通过“师法自然”的方法来设计和制备具有超疏水结构的仿生表面这一研究领域近年来发展迅速。科研工作者们已经研究开发了许多制备具有超疏水性质的表面的方法，然而想精确制备具有复杂形状的仿生微结构并不容易，此外通过单独控制微结构的尺寸来精确控制表面的亲疏水性质也极其重要。

近日，湖南大学王兆龙课题组受弹尾虫表面超疏水特性的启发，使用摩方精密PμSL 3D打印技术（nanoArch® P140）制备了具有微蘑菇结构阵列的超疏水表面，液滴在该表面的接触角达到了171°，并且展现花瓣效应，实现了微滴的定向转移、可控融合以及微液滴化学反应器的制备。相关成果以“3D-Printed Bioinspired Cassie–Baxter Wettability for Controllable Micro-droplet Manipulation”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces。其中论文的第一作者为湖南大学机械与运载工程学院硕士生尹球，共同第一作者为上海交通大学博士生郭晴以及湖南大学王兆龙助理教授，共同通讯作者为湖南大学王兆龙助理教授，段辉高教授及上海交通大学郑平院士。

图1 仿生超疏水结构的设计及制备。（A-C）弹尾虫光镜图及其表皮结构的扫描电子显微镜图；（D-E）面投影微立体光刻3D打印技术原理图；（F-H）3D打印平板、圆柱以及微蘑菇结构的的浸润性对比；（I）花瓣效应。

图3. 通过精确控制微蘑菇的茎的直径（d）、高度（h），蘑菇头的直径（D）、高度（H）以及相邻蘑菇的间隙（G）可控调节表面的润湿性。

要点：研究中受弹尾虫表面具有微蘑菇结构阵列的启发，设计并制备了具有微蘑菇阵列的表面。上述表面由nanoArch® P140微尺度3D打印设备加工，使用材料为GR树脂，打印层厚为2 μm。由于该加工设备的灵活性，研究者对微蘑菇结构的物理特征实现了极高的可控性：蘑菇头的直径（D）从60~400 μm变化，蘑菇头的高度（H）从0~50 μm变化，蘑菇茎的高度(h)在50~400 μm变化，蘑菇茎的直径(d)在40~100 μm变化，相邻蘑菇的间隙在50~300 μm变化。通过精准控制微结构的尺寸和间隙等物理特征参数对表面的浸润性实现了可控调节：液滴在其表面上的接触角可以从55°~171°变化。通过控制微蘑菇的高度有效调控表面与水滴的粘附力在71 μN~99 μN之间变化。其中相关机理则采用介观格子玻尔兹曼方法予以揭示。

图4. 通过格子--玻尔兹曼方法揭示相关机理

图5. 3D打印制备的超疏水微蘑菇结构应用于（A）微液滴化学反应；（C）液滴无损转移；(D-F)液滴的可控融合；(B)不同结构表面对水滴的粘附力。

在此基础上，团队利用制备的仿生超疏水表面实现了微液滴的定向转移和可控融合，搭建了可用于微液滴化学反应的反应台。相关研究成果在生物医疗、分析化学以及微流控等领域具有重要的应用前景。