液滴操縱在生物過程中無處不在，在能源、微流體、微反應(yīng)器、生物分析和醫(yī)療設(shè)備等技術(shù)應(yīng)用中也必不可少。受自然生物的啟發(fā)，研究人員已開發(fā)出許多功能性表面來操縱液滴。例如，通過配置可切換的表面潤濕性來實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性的疏水表面。然而，目前大多數(shù)的液滴操縱方式都是基于響應(yīng)性的表面，被動(dòng)地實(shí)現(xiàn)操縱。

很少有報(bào)道能實(shí)現(xiàn)液滴在水平方向甚至反重力方向的主動(dòng)操縱。在這些工作中，液滴的操縱在很大程度上取決于響應(yīng)性表面。然而，響應(yīng)性表面的制備總是需要特定的響應(yīng)性材料。同時(shí)，并非應(yīng)用場景中的所有表面都具有響應(yīng)性，因此無法實(shí)現(xiàn)液滴操縱。因此，這種被動(dòng)操縱方式的應(yīng)用受到嚴(yán)格限制。

目前，在傳統(tǒng)的非響應(yīng)性光滑表面上對(duì)功能性液滴進(jìn)行主動(dòng)操縱仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。 鑒于此，北京航空航天大學(xué)江雷院士、衡利蘋研究員等提出了一種通用的主動(dòng)操縱方法，實(shí)現(xiàn)了在光照射、電場和磁場下在無響應(yīng)的光滑表面上對(duì)光熱液滴、電液滴和磁液滴的主動(dòng)操縱。該工作還展示了在外部刺激下對(duì)不同液滴的聚結(jié)、微反應(yīng)、反重力操縱和篩選。

該項(xiàng)工作可以為不依賴于表面響應(yīng)性的主動(dòng)操縱液滴提供一種可行的策略，并推動(dòng)化學(xué)檢測、微流體、生物分析和藥物的發(fā)展。該研究以題為“Active Manipulation of Functional Droplets on Slippery Surface”的論文發(fā)表在最新一期Advanced Functional Materials期刊上。




光滑表面的制備過程

為了方便地操縱功能性液滴，研究人員構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定的光滑凝膠表面。如圖1a所示，研究人員用旋涂的方式在玻璃基板上制備了PDMS基底。接著，在PDMS表面涂抹硅油后，獲得了光滑的PDMS表面。該方法制備的PDMS表面在浸泡硅油后幾乎看不到明顯的褶皺（圖 1g），保證了其光滑性，這為在光滑表面上自由操縱功能性液滴提供了基礎(chǔ)。



圖1PDMS基底的制造過程以及制備的硅油/PDMS光滑表面。

通過光照、電場主動(dòng)操縱液滴

研究人員將光熱性能良好的碳納米管加入液滴中，制備了光熱響應(yīng)型液滴。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光滑表面上光熱液滴的有效操縱，需要不對(duì)稱的光照射。使用氙弧燈作為光源，如圖2b所示，光強(qiáng)度從中心向邊緣逐漸減小。在操縱光熱液滴時(shí)，光斑中心準(zhǔn)確地聚焦在液滴的左邊。如圖2c-f所示，在光照射幾秒鐘后，光熱液滴開始在光滑的表面上移動(dòng)。

在非對(duì)稱光源的照射下，液滴會(huì)不斷移動(dòng)，直到整個(gè)液滴在暗區(qū)移動(dòng)，最后停止。通過光照實(shí)現(xiàn)主動(dòng)操縱的原理是利用了在不對(duì)稱光斑下，液滴兩側(cè)的溫度不同。當(dāng)光斑中心作用于液滴的左側(cè)時(shí)，左側(cè)的溫度會(huì)高于右側(cè)的溫度，溫度差異（ΔT）會(huì)引起液滴內(nèi)的Marangoni流動(dòng)，并隨后形成驅(qū)動(dòng)液滴的驅(qū)動(dòng)力。



圖2 通過光操縱液滴 為了展示液滴的電驅(qū)動(dòng)，研究人員選用四種液滴包括水、二甲基亞砜（DMSO）、十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）溶液和1-乙基-3-甲基咪唑雙（三氟甲基磺酰）亞胺（離子液體，[EMIm]NTf?) 作為模型電滴。首先，研究人員用尼龍濾膜摩擦PDMS基板，來使光滑表面帶電（圖3a）。

帶電的 PDMS基板表現(xiàn)出很強(qiáng)的負(fù)電位（圖3b）。如圖3d-g所示，隨著金屬電極的靠近，當(dāng)距離減小到一定值時(shí)，液滴會(huì)被驅(qū)動(dòng)。隨著液滴的向前移動(dòng)，距離的逐漸增加，靜電相互作用會(huì)逐漸減少，減慢液滴的移動(dòng)速度。一旦移動(dòng)距離達(dá)到某個(gè)值，驅(qū)動(dòng)力將變得小于流體動(dòng)力阻力。最終，電滴會(huì)迅速停在光滑的表面上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液滴的移動(dòng)距離符合以下順序：DMSO>DTAB>水> [EMIm]NTf?（圖3h）。



圖3 通過電場操縱功能性液滴在光滑表面上運(yùn)動(dòng)



圖4 通過電場操縱液滴在溶液表面運(yùn)動(dòng)

通過磁場主動(dòng)操縱液滴

最后，研究人員展示了通過磁場對(duì)液滴進(jìn)行主動(dòng)操縱。將磁性Fe?O?納米粒子添加到水中以制備磁性液滴。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Fe?O?含量對(duì)液體表面張力沒有明顯影響。基于磁吸引力，磁滴可以通過磁鐵驅(qū)動(dòng)。

通過調(diào)整液滴與安放在液滴右下方的磁鐵之間的距離來測量磁液滴的最大移動(dòng)距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含有少量Fe?O?的液滴滑動(dòng)緩慢，含有大量Fe?O?的液滴能夠快速移動(dòng)。

通過磁場對(duì)液滴進(jìn)行簡單的磁操縱是由于液滴和磁體之間的磁力。如圖5i?所示，在沒有磁鐵的情況下，液滴內(nèi)的Fe?O?納米顆粒的磁疇是無序的。在這種狀態(tài)下，沒有磁力產(chǎn)生，液滴表現(xiàn)出較大的接觸角。當(dāng)施加對(duì)稱的磁場時(shí)，液滴內(nèi)的Fe?O?納米顆粒的磁疇沿磁感應(yīng)線有序排列（圖 5i?）。以這種方式，產(chǎn)生了液滴和磁體之間的磁力。


基于這種原理，研究人員通過0.4T磁場對(duì)不同磁性液滴進(jìn)行聚結(jié)、反重力操縱和篩選操作（圖6）。



圖5 通過磁場操縱液滴在光滑表面上運(yùn)動(dòng)



圖6 通過磁場操縱液滴進(jìn)行水平滑動(dòng)、反重力運(yùn)動(dòng)、聚結(jié)和篩選 綜上所述，該工作成功實(shí)現(xiàn)了在光照射、電場和磁場下在無響應(yīng)的光滑表面上對(duì)光熱液滴、電液滴和磁液滴的主動(dòng)操縱。與之前報(bào)道的操縱模式相比，該工作引入了一種通用的主動(dòng)操縱方法并規(guī)避了對(duì)表面響應(yīng)性的需求。

該方法能夠在外部刺激的觸發(fā)下，成功完成光滑表面上不同液滴的聚結(jié)、反重力操縱、微反應(yīng)和篩選。這一成果將為獨(dú)立于表面響應(yīng)性的液滴的主動(dòng)操縱以及化學(xué)檢測、微流體、生物分析和藥物中的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用提供新的見解。

審核編輯：劉清