文章导读
开放表面上的可编程液滴操作是各种应用的基础，包括数字微流体、强化凝结、微量化学分析、集水和表面清洁。基于外部刺激实现液滴的可编程操作尽管取得了显著的进步，但通过调节外部刺激的控制手段单一，目前复杂和大规模的液滴处理仍具挑战性。
武汉大学郑怀团队和香港理工大学王钻开教授合作提出了一种独特的通过电荷表面模式重构的液滴操纵方法。这项工作从概念上为液滴操纵中的外部控制转变为表面自主控制开辟了新的途径。该成果以“Programmable droplet manipulation enabled by charged‐surface pattern reconfiguration”为题发表在《Droplet》期刊上（封面文章）。
图1 滑动液滴的边缘阻挡现象
研究者发现了在针尖电晕放电下，液滴在导电/非导电区域上的无壁面的边缘阻挡现象，这里比较了三个液滴在有无电荷图案下的滑动行为(图1)。结果发现：石墨烯表面的两个液滴在重力的作用下以恒定的速度滑动，而中间的液滴被束缚在多孔聚丙烯(PP)薄膜和石墨烯的交界处，并且可以保持长时间的稳定性，消除电荷沉积后，液滴滑动恢复。三种液滴行为之间的差异表明，在导电/不导电图案之间的边界处存在不可见且可调的边缘阻挡现象。并且边缘阻挡现象是通用的，与非导电和导电材料、表面润湿性和沉积电荷的极性无关。
图2 液滴振荡行为及边缘阻挡现象机制示意图
为了探究内在机制问题，研究者进行微观拍摄发现导电/不导电图形边界处的液滴表现出局部的周期性振荡行为。边界处的液滴振荡伴随着电荷转移过程，一旦液滴接触到导电表面，就会形成电荷转移路径，液滴电荷极性会立即从正极性变为负极性(图2)，因此其机制有别于传统的静态作用力的阻挡效益，而是来自于动态电荷传输带来的动态变化的作用力。
图3 多功能的液滴操纵
基于上述特性，研究者通过图案设计实现多种液滴操作功能，包括可切换的轨迹导向滑动、混合、分类和筛选等功能(图3)。这种在导电/非导电表面上操纵液滴的新方法，从表面上赋予固有的控制能力，是从外部控制转变为自主控制的突破，并且表现出高度的灵活性和准确性。
图4 集成式图案与逻辑门结合实现编程式液滴操控
为了满足大规模液滴处理的可编程要求，研究者通过表面区域重构实现动态调节边缘屏蔽现象(图4)。膜表面被赋予控制功能，类似于数字电子设备中的逻辑门。通过重新排列表面上的柔性导电织物来远程控制液滴行为，使大规模可编程液滴操控以简单、高效和低成本的方式实现。
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原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/dro2.74
作者简介
房多魁
第一作者
2023年获武汉大学硕士学位，师从郑怀副教授，研究方向为微流体控制。即将在武汉大学动力与机械学院继续攻读博士学位。
周文豪
共同第一作者
2023年获得武汉大学硕士学位，师从郑怀副教授。主要从事微流体控制，表面微纳制造等方面的研究。目前，在北京大学攻读博士学位。
目前，Droplet（《液滴》）已通过全球最具影响力的开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journals, DOAJ）评估，正式被DOAJ数据库收录。本刊旨在成为跨学科的高水平学术交流平台，展示液滴和气泡相关领域的前沿研究成果，推进国际科研传播与合作。
