表面電荷密度梯度驅動使液滴「跑得」更快更遠

新機制可以在沒有額外能量輸入的情況下，以創紀錄的速度和距離在垂直面上移動液滴。

如果沒有附加力的幫助，即便只是在重力作用下想在固體表面以高速率、長距離輸送液滴，也是一項極為艱巨的任務。sciencedaily.com網站7月22日報道，《自然·材料》雜誌發文稱，中國香港城市大學機械工程系教授Wang Zuankai，中國電子科技大學教授Xu Deng和德國馬克斯·普朗克聚合物研究所教授 Hans-Jürgen Butt等領導的研究團隊，設計了一種新型的機制來實現無額外能量輸入情況下液滴的長距離、高速輸送。在這種機制下，Wang等甚至首次實現了液滴在垂直方向上的快速、遠距離移動。這種控制液滴運動的新方法在微流體和生物分析等領域具有廣闊的應用前景。

傳統的液滴輸送方法主要是利用液滴表面的潤濕梯度產生誘導驅動力來使液滴從疏水表面向親水表面移動。然而，支撐液滴移動的流體動力學存在相互制約：高速輸送液滴需要較大的潤濕梯度，但會使運輸距離受限；而長距離運移液滴需要減小潤濕梯度以減弱液-固界面的附著力，這對輸送速度又造成了不利影響。Wang等設計的液滴輸送策略，實現了液滴在不同基質上的單向自驅動輸送，輸送速度達到了創紀錄的1.1 m/s，是文獻報道速度的近10倍。並且從原則上講，輸送距離是不受限制的。

Wang等的研究取得突破的關鍵，在於首次通過液體接觸操控表面電荷。研究人員首先將一串液滴滴向此前開發的超雙疏表面，液滴撞擊到超表面時，會立刻擴散、收縮並彈回。這導致電子從液滴中分離出來，並使受到影響的表面帶負電荷。通過調節液滴的滴落高度，表面電荷密度會發生變化，進而形成電荷密度梯度。隨後，當液滴再次滴到超表面時，表面電荷密度梯度會產生驅動力作用，推動液滴向高電荷密度方向移動。

與化學梯度或形貌梯度的高穩定性不同，電荷密度梯度的調控性非常好，研究人員可以很輕鬆地對液滴運動路徑進行重新調整。Wang等在實驗中發現，液滴的高速、遠距離輸送可以在室溫下完成，並且不需要額外的能量。更重要的是，這種輸運液滴的方法不僅可以用於水平面，還可以用於垂直表面。此外，該方法適用的液體範圍也很廣，除水以外，還可以用於低表面張力、低介電常數的溶液。

Wang說：「我們利用表面電荷密度梯度來控制液滴傳輸的創新性研究，有望開闢新的研究和應用方向。例如，在生物醫學中，設計具有特殊電荷密度梯度的表面可能會影響細胞遷移等行為。」Deng補充說：「這一創新性研究還可以用於微流體晶元實驗室、生物分析、材料學和流體動力學等領域。」

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：三水

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