近日，天津大学机械工程学院青年教师陈发泽指导硕士研究生蔡泽鑫，在仿生超滑功能表面加工及液滴多向可控运输领域取得重要研究进展，相关成果以Programmable Droplet Transport on Multi-Bioinspired Slippery Surface with Tridirectionally Anisotropic Wettability为题发表在一区Top期刊《Chemical Engineering Journal》，影响因子16.744。该工作由博士后创新人才支持计划和国家自然科学基金等项目资助完成。

自然界中许多生物表面具有特殊润湿性，是设计功能界面的广泛灵感来源。如通过仿生蝴蝶翅膀，可加工出具有液滴单向滚动特性的超疏水表面；仿生水稻叶可制备具有两向异性滚动的超疏水表面；仿生猪笼草则可获得具有超滑特性的液体注入表面。目前，基于仿生制造技术，研究人员已实现了多种双向异性特殊润湿性表面的加工和液滴运动的操控。然而，设计并加工具有多向异性的特殊润湿性表面，并实现液滴的稳定、多方向可控运输，仍具有很大的挑战性。

该研究中，团队通过仿生蝴蝶翅膀、水稻叶和猪笼草的特殊润湿性，采用飞秒激光直写技术在铜基底表面加工了宽度、深度可调的周期性阶梯状微槽阵列，通过化学氧化在表面构建出纳米结构，再经超疏水化处理和硅油注入后获得了具有液滴三向异性滑动特性的超滑表面（图1）。

图1  三向异性超滑表面的加工流程

不同加工阶段的试样表面形貌表明，飞秒激光能够精确控制阶梯状微槽结构的形状和尺寸，化学氧化生成的针状和颗粒状形成了丰富的多孔纳米结构，并将旋涂注入的硅油固定在样品表面，如图2所示。

图2  不同加工阶段的试样表面形貌

 通过测量液滴在样品表面的滑动角，发现在平行于微槽的方向（“//”方向）液滴能轻易滑落（滑动角SA_// ≈ 2°）；在垂直于沟槽的方向上，液滴更容易沿着下台阶方向（“down”方向）滑落，而沿其相反方向（“up”方向）则较难滑动，滑动角差值（SA_up-SA_down）可达到50°。因此，液滴在该表面表现出三向异性滑动特性，如图3所示。

图3  液滴在试样表面的各向异性滑动

为了探究三向异性滑动的形成机制，研究人员设计了仅含单个台阶结构的超滑表面。液滴在单个台阶结构上运动时受到四种滑动阻力：“up”方向和“down”方向的钉扎力和粘附力。通过滑动角大小对比发现，液滴在“up”方向上因台阶顶部边界对液滴接触线的钉扎产生的钉扎力最大，是产生三向异性滑动的根本原因，如图4所示。

图4  液滴在单个台阶结构上的四种滑动阻力

在机械振动辅助下，所加工的三向异性超滑表面可用于液滴的可控运输，如图5所示。研究发现，触发液滴运动所需的振动幅值、振动频率、微结构特征和液滴体积等因素有关。通过优化微结构特征和振动幅值，团队实现了液滴在水平表面上的定向运输、合并和分散，并设计了两种通过操控液滴运动顺序来控制化学反应的微反应器。此外，将样品沿微槽方向倾斜放置并施加机械振动，发现大体积液滴（10微升）可跨微槽沿斜线滑动（即沿微槽平行方向和垂直于微槽方向两种滑动的合成），而小体积液滴（5微升）则只能沿着微槽滑动，在样品下沿合并为大液滴后则可跨微槽滑动。因此，通过选择合适的振动幅值、振动频率、微结构和液滴体积，可实现液滴在表面的多方向可控运输。

图5  振动辅助的可控液滴运输

本项研究工作旨在通过仿生技术，设计出一种可用于液滴多方向可控运输的功能表面，有望应用于微流控、化学微反应器、液体运输等领域，同时拓展飞秒激光加工技术及其复合加工技术在微纳结构加工中的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137831.

（信息来源：超快激光加工技术与应用研究团队）