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(rùn)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(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(cè)、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(chǎng)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(chǎng)操縱功能性液滴在光滑表面上運(yùn)動(dòng)



圖4 通過電場(chǎng)操縱液滴在溶液表面運(yùn)動(dòng)

通過磁場(chǎng)主動(dòng)操縱液滴

最后，研究人員展示了通過磁場(chǎng)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(cè)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(chǎng)對(duì)液滴進(jìn)行簡(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)操縱液滴在光滑表面上運(yùn)動(dòng)



圖6 通過磁場(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(cè)、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