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《先进功能材料》：若即若离，松弛有度，仿生表面用于微液滴操控

来源：花匠小妙招时间：2025-07-28 22:45

玫瑰花瓣表面由周期性排列的微乳突阵列构成，这些乳突表面又覆盖着密集的纳米折叠。独特的多级结构赋予玫瑰花瓣与众不同的表面润湿行为：水滴在其表面的接触角不仅大于150°，而且在超疏水状态下，微液滴可悬挂在其表面而不掉落，这种现象被称之为花瓣效应。这不仅有利于玫瑰花瓣的表面自清洁，而且可帮助玫瑰花瓣保湿保鲜。玫瑰花瓣的这些特性，使其成为自然界中微液滴操控小能手。

微液滴操控在微化学反应和生物医学领域具有重要的应用前景。例如，对于高危、剧毒化学反应，通过数百倍缩小反应体系，可提高安全系数，更高效的开展验证实验。此外，在生物医学领域，微液滴操控技术可大大减少样品的用量。例如血液监测中，仅仅通过一个微液滴，就可以得到诊断结果，从而减轻患者的痛苦，提高诊断效率。

受玫瑰花瓣的启发，国防科技大学研究人员提出一种无需模板、低成本、简单高效的三维收缩法，成功制备了具有折叠结构的超疏水乳突阵列，实现了微液滴在不同疏水表面的定向转移，构建了适用于多步反应的微反应平台。这项研究或有助于化学微反应器和便携式微型生物医用芯片的构建。相关成果最近以“用于微液滴操控的具有可调粘附力和超大液体容量的仿生超疏水乳突”（Bioinspired Superhydrophobic Papillae with Tunable Adhesive Force and Ultralarge Liquid Capacity for Microdroplet Manipulation）为题，发表于材料领域国际顶尖期刊Advanced Functional Materials上，论文第一作者为博士研究生谭银龙，通讯作者为楚增勇研究员与吴文健教授。

图1 玫瑰花瓣启发的乳突阵列用于多步微反应器和柔性微液滴操控器

结合课题组前期利用均匀氧化石墨烯薄膜进行表面起皱的相关工作（ACS Nano 2017, 11, 6843；ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 1283），在本论文中研究者提出基于圆点状非均匀氧化石墨烯薄膜的三维结构化方法，通过一步三维收缩成功制备了具有折叠结构的乳突。此方法无需模板、简便高效，可实现乳突形貌的有效调控和乳突阵列的大规模制备。

图2 三维收缩法构筑具有折叠结构的乳突阵列.（a）制备示意图.（b-f）通过预应变调控乳突的形貌.

与非结构化表面相比，通过三维结构化，引入具有折叠结构的乳突阵列，接触角由135°增至173°，液滴呈现近乎完美的圆球形。同时，在如此超疏水状态下，将乳突阵列倒置，液滴依然能够悬挂在阵列表面，展现出优异的玫瑰花瓣效应。

图 3 超疏水乳突的仿生策略和性能展示.（a）天然玫瑰花瓣表面的乳突形貌.（b, c）仿生构筑的乳突形貌. （d）通过三维结构化提升功能表面的超疏水性.（e, f）光滑乳突和结构化乳突表面水接触角的理论计算和实验结果对比.

众所周知，在太空中水滴呈圆球形状，这是因为在不受外力影响的情况下，水滴有保持其最小表面积的趋势。回到地表，在常温常压的条件下，小水滴在超疏水表面也呈近似球形，但是要操控这个球形液滴就不是那么容易了。因为在超疏水的状态下，还要同时考虑球形液滴所受到的重力，基底对液滴的粘附力，以及操控器对液滴的粘附力大小，只有当三者相匹配时，才能实现球形液滴的定向转移。因此，不同重量的球形液滴在不同疏水界面的定向转移一直是研究者面临的巨大挑战。

解决这个问题的核心是研制出表面粘附力大范围可调的微液滴操控器。该研究通过控制乳突的表面微结构、数量和排布方式，可有效调控乳突阵列的接触角、表面粘附力和液体容量。表面粘附力可在39.2~129.4 µN之间进行调控，最大液体容量高达25 µL，优异的性能为微液滴的定向操控和多步微反应平台的构建奠定了的基础。

该研究工作得到了湖南省自然科学基金杰出青年项目、国防科技大学预先研究重点项目的大力支持。