液體-表面相互作用是自然界和工業(yè)環(huán)境中普遍存在的現(xiàn)象。仿生學、微/納米制造以及智能材料的進步，推動了液體操控表面設計三大主要策略的發(fā)展，包括物理紋理化、化學調(diào)控以及外部場干預（例如磁場、電場、光場、熱場以及聲場驅(qū)動）。這些方法加深了人們對相關領域的基礎理解，提升了各類應用中對液體的操控能力。近期的研究著重于整合這些策略，以構(gòu)建多功能流體系統(tǒng)，例如磁化微柱陣列、光驅(qū)動可變形管以及熱調(diào)控結(jié)構(gòu)化表面等。這些集成化的液體操控系統(tǒng)，在下一代微流控技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換和熱管理領域具有巨大潛力。
熱致液體表面張力變化以及可切換潤濕性材料，體現(xiàn)了熱場在液體操控中的早期應用價值。對于聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）等經(jīng)典熱響應材料，其熱調(diào)控基于低臨界溶解溫度（LCST）形成的兩種切換狀態(tài)。這種簡單的方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速的潤濕性切換，無需精確的溫度控制即可方便地進行液體操控。然而，這種二元響應本質(zhì)上限制了功能的多樣性，需要通過策略性的開發(fā)來推進熱調(diào)控液體操控平臺的發(fā)展。
近期的研究已將熱場與表面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以豐富液體操控手段。盡管取得了巨大進展，但人們對熱場與結(jié)構(gòu)特征之間的耦合機制仍缺乏全面的理解。此外，在功能表面上完成復雜的液體操控需要局部可控的熱場。因此，這些挑戰(zhàn)需要一種可編程的熱調(diào)控微流控平臺，并具備穩(wěn)健的機制，以實現(xiàn)多功能的液體操控。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，香港大學的研究人員開發(fā)了一種可編程開放式微流控平臺，該平臺基于PNIPAM接枝的異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面，具備全局和局部熱調(diào)控功能。此平臺利用結(jié)構(gòu)誘導的不對稱界面力，通過全局/局部溫度介導的潤濕性控制來實現(xiàn)液體的選擇性定向傳輸。相關研究成果已經(jīng)以“Competition and Synergy in Programmable Open Microfluidics: Thermal Fields vs Structural Heterogeneities”為題發(fā)表于Nano Letters期刊，并被選為封面文章。
研究人員闡明了結(jié)構(gòu)效應與局部熱場之間存在的一種既競爭又協(xié)同的機制：熱梯度主導液體行為，可按需逆轉(zhuǎn)液體傳輸方向，同時通過與結(jié)構(gòu)效應相互作用來增強傳輸性能。基于這些洞察，研究人員利用局部加熱單元展示了液體的時空操控，例如生成各種液體圖案以及精心設計的級聯(lián)化學反應，為可編程熱調(diào)控微流控技術(shù)建立了新范式。
PNIPAM接枝的異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面的制備與表征。該結(jié)構(gòu)化表面通過3D打印構(gòu)建，隨后進行氧等離子處理、光引發(fā)劑涂覆和UV誘導接枝，成功制備出溫敏表面。
在結(jié)構(gòu)化表面的設計中，研究人員提出了一種曲率棘輪模型，該模型具有兩個特征：一個半徑（R）為200 μm的基底半圓，以及一個長度（L）為500 μm的傾斜結(jié)構(gòu)，其傾斜角定義為??（0°< ?? <180°）。盡管類似的3D不對稱表面已展現(xiàn)出豐富的定向液體操控能力，但它們依賴于改變液體的表面張力。相比之下，研究人員證明即使在液體表面張力相同的情況下，熱調(diào)控潤濕性也能控制液體的行為。
結(jié)構(gòu)化表面上的熱調(diào)控定向液體動力學。低溫下，傾斜結(jié)構(gòu)（??≠90°）通過非對稱的Laplace壓力差實現(xiàn)定向輸運；而在高溫下，疏水表面則通過異質(zhì)尖端結(jié)構(gòu)逆轉(zhuǎn)液體的運動方向。
在沒有傾斜結(jié)構(gòu)的情況下，疏水性會放大曲率效應，將雙向鋪展轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蛄鲃樱辉谝雰A斜結(jié)構(gòu)后，親水狀態(tài)有利于沿傾斜方向的Laplace壓力驅(qū)動傳輸，而疏水狀態(tài)則通過異質(zhì)尖端結(jié)構(gòu)逆轉(zhuǎn)液體傳輸方向。這些結(jié)果展示了全局熱刺激與結(jié)構(gòu)特征之間的耦合如何選擇性地調(diào)控液體行為，為液體操控提供了一種自適應平臺。
除了全局熱調(diào)控外，局部熱梯度已被證明能有效操控液體。這種方法依靠熱梯度引起的潤濕性差異來實現(xiàn)液體的定向控制。然而，研究人員的研究結(jié)果揭示了結(jié)構(gòu)效應與熱場之間存在復雜的相互作用。研究人員展示了這種內(nèi)在的競爭與協(xié)同作用能夠催生創(chuàng)新的液體操控策略，從而優(yōu)化并增強對液體的控制。
總體而言，熱梯度被設定為提供空間可調(diào)的液體屏障，從而能夠?qū)τ山Y(jié)構(gòu)異質(zhì)性預先確定的液體擴散路徑進行編程。這種熱梯度從傳統(tǒng)的定向控制組件向可編程屏障的范式轉(zhuǎn)變，為通過結(jié)構(gòu)-熱場耦合操控液體開辟了新途徑。按照這一邏輯延伸，研究人員利用表面下方局部控制的加熱單元（5 x 5 mm2），能夠?qū)崿F(xiàn)可編程的液體操控。這些電控微型加熱器能提供精確的局部激活和動態(tài)熱切換，從而通過時空調(diào)節(jié)的熱場支持液體操控。
結(jié)構(gòu)效應與熱梯度之間的競爭與協(xié)同機制
從另一個角度來看，熱梯度與結(jié)構(gòu)效應的結(jié)合可能會增強液體的定向控制。在此，研究人員研究了一個典型的液體逆勢傳輸案例，即液體運動與重力方向相反的情況，以展示結(jié)構(gòu)效應與熱場之間的協(xié)同作用機制。局部熱梯度可以覆蓋結(jié)構(gòu)對液體引導的作用，從而抑制液體的運動（競爭作用）。而在逆重力輸運實驗中，熱梯度與結(jié)構(gòu)效應的協(xié)同作用顯著提升了臨界爬升角。此時，Marangoni力與潤濕梯度力共同克服重力，實現(xiàn)了高性能的抗重力輸運能力（協(xié)同作用）。
局部控制可編程開放式微流控平臺的功能演示
通過對加熱單元進行編程，研究人員在雙環(huán)表面上展示了不同的液體圖案。實驗結(jié)果表明，對加熱單元的時空控制可以增強液體的可編程性。熱場作為主要的編程機制，而表面結(jié)構(gòu)僅定義被動路徑，這與研究人員之前的研究結(jié)果一致，即熱梯度在決定液體行為方面主導結(jié)構(gòu)效應。
總結(jié)而言，該研究提出了一種可編程微流控平臺，包含PNIPAM接枝的結(jié)構(gòu)化表面以及可全局/局部控制的熱場。研究人員揭示了結(jié)構(gòu)效應與熱場之間的競爭和協(xié)同機制，這種機制能夠?qū)崿F(xiàn)可編程的液體圖案，以及化學反應的時空控制，為按需進行生化分析和合成提供了一種策略。
不過，當前的平臺仍存在一定的局限性：（1）PNIPAM的熱響應性在水溶液中已被證明，但對于有機溶劑可能不適用，因為它們可能會破壞水合-脫水轉(zhuǎn)變；（2）開放式表面設計便于靈活操作，但易受蒸發(fā)和污染的影響，這可以通過優(yōu)化操作溫度范圍以及整合半封閉/全封閉微通道來解決。
未來的進一步研究可能整合光熱納米材料以增強液體操控，或者擴展到多功能熱微反應器，從而推動融合智能材料、能量轉(zhuǎn)換和生物分析的微流控技術(shù)的跨越式發(fā)展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02353
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