神奇微結(jié)構(gòu)表面讓非潤(rùn)濕性固液表面發(fā)生逆轉(zhuǎn)

潤(rùn)濕性的研究對(duì)于人們生活和工業(yè)生產(chǎn)有著將其重要的意義，例如發(fā)電廠中鍋爐和冷凝器表面性潤(rùn)濕性較差導(dǎo)致液體難以疏導(dǎo)走會(huì)影響發(fā)電效率；在石油開采過程中通過改巖石表面潤(rùn)濕性能，可以減少石油相吸附來以提高石油采收率；我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫牟徽冲伨褪切枰诒砻嬖黾油繉邮褂偷尾粷?rùn)濕來進(jìn)行改良。

因此科研人員針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的潤(rùn)濕性能調(diào)控及應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，形成了多種調(diào)控方法。

如果想要精確控制潤(rùn)濕性，那么需要對(duì)潤(rùn)濕機(jī)理了解清楚，人們一般通過定義液滴與固體侵潤(rùn)后形成的接觸角來評(píng)價(jià)潤(rùn)濕性的性能，接觸角與固、液和氣相之間的界面表面張力分布有關(guān)，最終導(dǎo)致形成的表面能存在差異。

如果固體表面能大于液體表面能，則液體將會(huì)更容易潤(rùn)濕表面，其接觸角較小會(huì)形成半毛細(xì)吸收態(tài) (Hemiwicking State) 或毛細(xì)吸收態(tài)（Wicking State），反之接觸角過大則會(huì)形成非潤(rùn)濕性的凱西態(tài)（Cassie State)。

因此設(shè)計(jì)不同接觸面的表面能對(duì)于控制界面潤(rùn)濕性是很重要的，大量研究表明可以通過表面活性劑實(shí)現(xiàn)對(duì)表面的改性而修飾其表面能。也有相關(guān)研究表面高濕潤(rùn)性可以通過表面粗化來實(shí)現(xiàn)，使液滴在接觸表面時(shí)呈現(xiàn)低接觸角。也有部分研究通過表面微結(jié)構(gòu)使界面形成非潤(rùn)濕狀態(tài)。但是怎樣讓難潤(rùn)濕的界面變成潤(rùn)濕狀態(tài)呢？

如何讓難以馴服的液態(tài)汞潤(rùn)濕表面
近日來自 MIT 機(jī)械工程學(xué)院的 Evelyn Wang 教授課題組的 Kyle Wilke 博士和陸正茂博士首次通過構(gòu)造固體表面微觀結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)非潤(rùn)濕固液界面轉(zhuǎn)變到理想潤(rùn)濕性水平。

該方法有望使所有液體高度濕潤(rùn)固相表面，包括超高表面張力流體，如液態(tài)金屬汞。液態(tài)汞通常被認(rèn)為是高度不潤(rùn)濕表面的，但它卻是一種好的導(dǎo)熱材料，在某些特殊場(chǎng)景有著非常重要的作用。

陸博士所在的團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)一種帶有凹角微槽結(jié)構(gòu)的表面，使得液態(tài)汞在沒有化學(xué)反應(yīng)的情況下可以潤(rùn)濕表面，達(dá)到半毛細(xì)吸收態(tài)。實(shí)驗(yàn)顯示液態(tài)汞在該含氟涂層的微結(jié)構(gòu)硅表面將接觸角縮小到 35°以下實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕效應(yīng)，而在普通表面的非潤(rùn)濕狀態(tài)時(shí)接觸角為 143°。

這是科研人員首次通過表面微結(jié)構(gòu)的方式顯示了從未有過的潤(rùn)濕機(jī)制，這項(xiàng)新工作為可潤(rùn)濕性的控制打開了大門。該成果在 2022 年 1 月，以《讓傳統(tǒng)非浸潤(rùn)表面浸潤(rùn)超高表面能液體》“Turning traditionally nonwetting surfaces wetting for even ultra-high surface energy liquids”為題發(fā)表在美國(guó)權(quán)威雜志《PNAS》上[1]，并且得到了 MIT 官網(wǎng)首頁的報(bào)道。
陸博士所在的團(tuán)隊(duì)采用新方法對(duì)表面進(jìn)行處理，構(gòu)造一種帶有凹角的槽式微結(jié)構(gòu)，每個(gè)槽道從側(cè)刨面觀察頂部的開口比空腔的其余部分更窄。然后使用一種液體對(duì)槽道進(jìn)行填充預(yù)處理，同時(shí)在微結(jié)構(gòu)的開口處留下暴露液體區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了開口處的表面張力分布改變。

當(dāng)添加另一種液體時(shí)，該液體可能與預(yù)加載到表面的液體相同或不同，實(shí)現(xiàn)了表面的非潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變?yōu)闈?rùn)濕性狀態(tài)。陸博士表示為了證明該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大潤(rùn)濕性能，他們?cè)诠杌砻孢€涂有一層 60nm 厚的聚合物 C4F8, 由于涂層是一種低表面能材料，它通常會(huì)使表面更具疏水性，使得界面的潤(rùn)濕更加困難。

而在這項(xiàng)工作中使用的特殊設(shè)計(jì)槽道凹角表面，在通過強(qiáng)力抽真空條件下預(yù)充液態(tài)汞后，液態(tài)汞被截留在凹角槽道結(jié)構(gòu)中形成特殊表面能的界面，而位于頂部的汞滴與之接觸后則呈現(xiàn)半毛細(xì)吸收態(tài)的潤(rùn)濕界面。
凹角微結(jié)構(gòu)牢牢＂抓住＂液態(tài)汞液滴


陸博士表示他們的實(shí)驗(yàn)和理論分析已經(jīng)證明，高潤(rùn)濕性是可以通過引入特殊設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，而不需要考慮界面本身內(nèi)在的潤(rùn)濕性。

槽道結(jié)構(gòu)的凹角通過界面張力分布實(shí)現(xiàn)表面能的特殊設(shè)計(jì)，可以構(gòu)造局部表面能勢(shì)壘使液體在表面中保持亞穩(wěn)態(tài)的半毛細(xì)吸收狀態(tài)，即使液體本質(zhì)上是非潤(rùn)濕的，也可以達(dá)到半毛細(xì)吸收狀態(tài)。

在該結(jié)構(gòu)中，槽道開口處的凹角的彎曲方向至關(guān)重要，對(duì)應(yīng)不能的固液界面可以微調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性的改變。因此微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的這種亞穩(wěn)態(tài)使人們能夠合理地控制潤(rùn)濕行為，而不依賴于所使用的固液界面的表面能。

與這種具有特殊凹角的槽道對(duì)比，普通槽道微結(jié)構(gòu)則不能實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕狀態(tài)，因?yàn)闊o法構(gòu)造局部表面能勢(shì)壘將液滴封閉在半毛細(xì)吸收狀態(tài)。因此通過特殊微結(jié)構(gòu)改變界面潤(rùn)濕性這一概念的引入，將有望對(duì)利用潤(rùn)濕性可控性的技術(shù)產(chǎn)生甚遠(yuǎn)影響。

固液界面的潤(rùn)濕性可控有望成為現(xiàn)實(shí)

目前來說，雖然在制造該微結(jié)構(gòu)表面上存在諸多挑戰(zhàn)，但陸博士表示：這項(xiàng)研究中的微結(jié)構(gòu)是使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造工藝制造的，整個(gè)制造過程相對(duì)來說較為復(fù)雜，但目前只是為了機(jī)理驗(yàn)證而進(jìn)行的工藝加工。

他們也正在探索其他加工方法，例如將來會(huì)嘗試使用 3D 打印或超快激光加工等工藝來實(shí)現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)的制造，尤其是在復(fù)雜凹角結(jié)構(gòu)的加工實(shí)現(xiàn)工藝上的突破。

這項(xiàng)工作中，通過理論和實(shí)驗(yàn)證明了表面工程可以將傳統(tǒng)意義上的非潤(rùn)濕界面編程高潤(rùn)濕性界面，這大大拓寬了潤(rùn)濕界面的應(yīng)用空間。例如現(xiàn)在很多精密電子產(chǎn)品或設(shè)備中使用的高溫?zé)峁?，可用于將熱量從一個(gè)地方傳導(dǎo)到另一個(gè)地方。

但傳輸熱量的媒介一般是液態(tài)金屬，眾所周知這些流體的表面張力非常高，很難實(shí)現(xiàn)表面潤(rùn)濕。但是該團(tuán)隊(duì)的這種新方法將會(huì)突破這一限制，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的高傳導(dǎo)性和高潤(rùn)濕性雙優(yōu)性能表現(xiàn)。
同時(shí)陸博士所在的團(tuán)隊(duì)還在繼續(xù)探索和改進(jìn)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究其在轉(zhuǎn)變界面潤(rùn)濕性的作用。例如槽道開口的表面積和間距主要決定了它們的潤(rùn)濕性行為，但它們的深度可能會(huì)影響這種行為的穩(wěn)定性，因?yàn)楦畹目赘驼舭l(fā)，這可能會(huì)破壞潤(rùn)濕性的改善。

更進(jìn)一步的研究很多行業(yè)會(huì)受益，無論是化學(xué)加工業(yè)、水處理行業(yè)還是熱產(chǎn)品行業(yè)等。同時(shí)陸博士還表示在本研究中通過微結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)了最難的汞-聚合物 C4F8 的不潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變，因此對(duì)于難度較低的非潤(rùn)濕性界面，理論上可以更靈活地選擇合適的微結(jié)構(gòu)表面，這必將開啟一個(gè)全新領(lǐng)域的研究。

陸博士目前正在 MIT 進(jìn)行博士后研究工作，主要方向是使用納米工程方法來解釋蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)。目前正致力于使用新穎工程材料為建筑或者易腐物品創(chuàng)造高性能被動(dòng)冷卻解決方案，從界面輸運(yùn)角度優(yōu)化能源系統(tǒng)等方面的研究。

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參考：
1、Wilke KL, Lu Z, Song Y, Wang EN. Turning traditionally nonwetting surfaces wetting for even ultra-high surface energy liquids. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2022 Jan 25;119(4).