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  具有微納結(jié)構(gòu)的表面對(duì)許多植物和昆蟲(chóng)在自然界中的生存起到了關(guān)鍵作用。例如，各向異性表面可以使液滴沿著蝴蝶翅膀向外滾落，水黽可以在水面上行走，植物可以捕獲花粉和昆蟲(chóng)。通過(guò)模仿自然界動(dòng)植物表面，多種具有各項(xiàng)異性潤(rùn)濕性的工程材料為智能微流控，綠色印刷，自清潔涂層，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域做出了積極貢獻(xiàn)。但是，很多材料表面性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化通常需要是非原位實(shí)現(xiàn)的，限制了它們的潛在應(yīng)用。除此之外，目前大部分表面雖然可以用于液滴轉(zhuǎn)移，但卻缺乏分析液滴特性并分類的能力。

  眾所周知，荷葉由于其表面均勻的植物蠟和獨(dú)特的乳突結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)各向同性超疏水性；蝴蝶翅膀的微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其翅脈正向和逆向方向的滾動(dòng)角存在差異而呈現(xiàn)潤(rùn)濕性的各向異性。武漢大學(xué)薛龍建教授課題組（NISE-Lab）結(jié)合荷葉與蝴蝶翅膀潤(rùn)濕性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種仿生智能表面（簡(jiǎn)稱TMAS），如圖1：借助于機(jī)械應(yīng)力，它具有原位可逆操作水滴的能力，并能區(qū)分液體的酸性/堿性以及酸堿強(qiáng)度。

圖1 由（A）各向同性超疏水荷葉和（B）各向異性潤(rùn)濕性蝴蝶翅膀啟發(fā)的（C）智能表面TMAS

  TMAS是通過(guò)在預(yù)先拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上接枝三角形微柱陣列而成。調(diào)節(jié)PDMS薄膜中應(yīng)力的施加方向及大小，可獲得不同排列方式的三角形微柱狀陣列，如“首尾相連”和“肩并肩”等（圖二）。由于三角形本身形狀的各向異性，他們定義了A和E兩個(gè)方向。當(dāng)y方向的周期（Py）由40μm增至51 μm時(shí)，A和E方向的滾動(dòng)角都有緩慢增加的趨勢(shì)，但A和E方向上的滾動(dòng)角無(wú)顯著性差異，呈現(xiàn)類似荷葉的各向同性潤(rùn)濕性行為。當(dāng)Py由40μm 減小至24 μm時(shí)，A和E方向的滾動(dòng)角顯著增加，尤其是E方向，旋轉(zhuǎn)至180o, 液滴也不會(huì)滾落，呈現(xiàn)類似蝴蝶翅膀的各向異性潤(rùn)濕（各向異性度ΔSA=258.3± 2.5°）。對(duì)于其他形狀的微柱設(shè)計(jì)，例如，圓形、正方形和正六邊形，則無(wú)法獲得各向同性/各向異性潤(rùn)濕性狀態(tài)的自由轉(zhuǎn)換。

圖2 （A）“首尾相連”TMAS，（B）“肩并肩”TMAS，（C）滾動(dòng)方向及滾動(dòng)角定義（SA），（D）y方向上，SA_A和SA_E隨陣列周期（Py）的變化規(guī)律，（E）不同形狀微柱設(shè)計(jì)的各向異性度ΔSA隨Py的變化規(guī)律

  TMAS能夠?qū)崿F(xiàn)各向異性是由于A和E方向上三相線（TCL）的差異。當(dāng)Py=24 μm時(shí)，連續(xù)性TCL_E的能壘大于離散式TCL_A。液滴滾向A方向時(shí)，由于TCL_E的強(qiáng)釘扎力，液滴后退角處的TCL被牢牢釘住，使得液滴無(wú)法滾動(dòng)。轉(zhuǎn)換方向朝E滾動(dòng)時(shí)，后退角處為TCL_A，釘扎力弱，液滴在重力作用下嚴(yán)重變形，當(dāng)達(dá)到某一傾角時(shí)即可滾落。從A方向無(wú)法滾落到E方向易滾落的整個(gè)過(guò)程中，液滴始終處于Cassie狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了由強(qiáng)黏附到易滾落狀態(tài)的原位轉(zhuǎn)換。

  基于原位轉(zhuǎn)換特性，TMAS表現(xiàn)出強(qiáng)大的液滴運(yùn)輸能力。在運(yùn)輸過(guò)程中，TMAS可以從不同的傾斜角度抓取液滴，并通過(guò)向E方向旋轉(zhuǎn)釋放液滴。不同的拉伸應(yīng)變，TMAS可運(yùn)輸不同體積的液滴（從2到12 μL）。同時(shí)利用A方向上的強(qiáng)黏附力，TMAS除了可以將液滴運(yùn)輸?shù)揭粋�(gè)水平表面，還可以將其運(yùn)輸?shù)絻A斜的、垂直的，甚至是倒置的表面上，表現(xiàn)出很大的自由度及容差率。

  基于機(jī)械應(yīng)力可以實(shí)時(shí)調(diào)控前進(jìn)角與后退角處三相線形態(tài)，TMAS還具備識(shí)別酸堿及檢測(cè)液滴pH的優(yōu)異性能。當(dāng)將酸堿液滴置于兩種不同周期的TMAS上并緩慢拉伸時(shí)，二者都是酸性液滴先滾落，繼續(xù)拉伸一定程度，堿性液滴才后續(xù)滾落，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)酸堿的識(shí)別。而對(duì)于具有不同pH的兩種酸或兩種堿，TMAS也可以實(shí)現(xiàn)pH大小的比較。當(dāng)緩慢拉伸TMAS時(shí)，強(qiáng)酸和弱堿會(huì)優(yōu)先滾落，弱酸與強(qiáng)堿則稍后滾落。

  通過(guò)結(jié)合蝴蝶翅膀與荷葉潤(rùn)濕性特點(diǎn)設(shè)計(jì)的仿生智能表面實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)液滴高黏附狀態(tài)與滾動(dòng)狀態(tài)的原位轉(zhuǎn)換，同時(shí)擁有多角度抓取及釋放、識(shí)別酸堿及檢測(cè)液滴pH的優(yōu)異性能。該工作對(duì)新型化學(xué)傳感器的研究提供了新的思路。

  上述成果發(fā)表于Advanced Science, 2020, 2001650，論文的第一作者為課題組2017級(jí)博士生李倩，通訊作者為薛龍建教授。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

  NISE-Lab長(zhǎng)期致力于仿生黏附材料（固固界面、固液界面、固液固界面）相關(guān)研究，相關(guān)成果還發(fā)表在Mater. Today 2020, 35, 42；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 19116；Small 2019, 15, 1904248；ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 46337；ACS Nano 2017, 11, 9711；Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1499；Nat. Commun. 2015, 6, 6621；Nano Lett. 2013, 13, 5541等國(guó)際頂尖期刊上。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001650

  課題組網(wǎng)站：http://niselab.whu.edu.cn/