近年來液體操控在液體收集、微流控和圖案化等領域展現出重要的研究價值。浸潤性調控是實現液體操控的重要途徑之一。1805年托馬斯·楊（Thomas Young）提出楊氏方程，闡明液體在固體表面的浸潤態取決于相界面張力的平衡關系。理想情況下，只需調控任一相界面張力，液體的浸潤態就可以發生顯著改變。已經發展的浸潤性調控手段主要利用固體表面修飾，如分子層修飾和表面微結構，但面臨處理流程復雜和成本高昂等問題。由于氣液界面修飾手段有限且難以穩定，直接調控氣液界面實現浸潤性轉變仍是一個挑戰。
宋延林研究員課題組多年來專注于液滴精確操控、氣泡和流體的圖案化研究。近期他們發現在小分子氣氛誘導下，液體表現出了明顯的響應性浸潤態轉變，可實現“覆水可收”。小分子氣氛包括短鏈醇類、酮類和酸類等。響應性浸潤態轉變受液體內部馬拉格尼效應（Marangoni effect）控制，具備實時氣氛響應性。這一發現為液體行為操控提供了新的思路和手段。
圖1. 氣氛誘導液滴浸潤性轉變、滑移和感應性
如圖1所示，在空氣中引入一定濃度乙醇氣氛（> 0.5 kPa）時，超親基底上的水滴將會出現顯著的接觸角增大現象。這一現象廣泛存在于低表面張力小分子氣體和高表面能液體之間。以乙醇氣氛和水滴為例，受氣液界面吸附和液體相分子擴散的影響，乙醇分子在液滴的表面濃度由三相線到中心遞減，造成局部的張力降低并誘發向液滴中心的馬拉格尼流。定向的馬拉格尼流使液滴展現出收縮態。收縮態液滴的滾動角低至1°，展現出高滑移性。此外，氣氛環境下液滴間具有遠程吸引和自發聚并行為，這些特性為后期的液體操控奠定了基礎。
固體表面的薄液膜的回收一直是一個難題，即“覆水難收”，而氣氛誘導浸潤性轉變可解決這一難題。如圖2所示，他們通過自制的氣氛誘導液體回收裝置，可在數十秒內對4 cm2的水、DMF和乙二醇薄液膜實現高達95%的回收率。對于更加復雜的隨機分散液膜，氣氛誘導回收裝置也可實現超過90%的回收率，同時起到固體表面清潔的作用。此外，液滴遠程吸引和高滑移性為構建液滴微流體和液滴反應提供了可能。通過構建Y型通道，實現了氣氛誘導下液滴間的混合反應。利用液滴間自發聚并和響應性收縮，構建了便捷的液滴反應，可極大降低微量反應的成本。
圖2. 氣氛誘導的液體回收、液滴微流控和液滴反應
此項研究在液體回收、液滴操控及固體表面清潔等方面具有重要意義和價值。利用氣氛誘導的浸潤性轉變，有望實現稀有液體資源再回收和特定基底表面清潔。氣氛誘導的浸潤性轉變作為一種新的去浸潤控制手段，有望用于功能材料的動態圖案化和非接觸印刷。
此論文發表在ACS Applied Materials & Interface (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c20546)上。論文的第一作者為中科院化學所宋延林課題組博士后李正博士，共同第一作者為西安大略大學楊軍教授課題組博士后黃占東博士，通訊作者為中科院化學研究所宋延林研究員和喬雅麗研究員。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c20546
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