操控液体新思路:“覆油可收”—原位超浸润可逆转化
2019-10-17

对液体的操控是实现很多重要工业和生活应用的关键过程,在微电路印刷、生物芯片、薄膜器件和微流控等方面有重要应用。由于液体的动态性和复杂性,发展有效操控液体的方法是当前重要的前沿挑战课题。操控液体的核心是实现精确调控液膜在基底的铺展/收缩/移动,即三相接触线在基底的移动/锚定。在这方面,外场响应的浸润性表面具有独特的优势,尤其是外场响应的超浸润可逆转变的表面,由于其可以实现液膜在完全铺展和不铺展两种状态间的可逆转化,为操控液体提供了新契机。目前实现超浸润可逆转变的方法主要是利用光照、温度、溶剂、pH等外部刺激,在刺激前后固体表面表现出完全相反的超疏/超亲浸润性能。现有的方法基本是在非原位水平上发生的固体表面超浸润的可逆转变,且需要较长的响应时间。利用电化学氧化还原反应,可以实现表面浸润性原位的改变,但局限在很小范围内实现(从约50°到110°或是小于10°到约90°之间),无法体现超浸润表面对于液膜操控的优势。因此发展一种策略实现在线原位的超浸润的快速可逆转变,对于液体的操控非常重要。

近日,北京航空航天大学化学学院刘欢研究员课题组利用电化学方法,发展了一种二元金属的living”表面,在线原位的可逆调控了液膜在基底上的铺展/收缩,实现了超浸润的原位可逆转化,基于此发展了一种外场驱动下的柱状刚性纤维操控液体的新思路。构筑微纳米复合结构的铜电极,对其施加特定的小电位,表面球状的液滴(超疏液)会逐渐铺展,直至完全铺展状态(超亲液),完成从超疏液到超亲液的转变;当去除电位以后,完全铺展的液膜(超亲液)在电极表面可以原位的完全收缩成球状液滴(超疏液),完成从超亲液到超疏液的转变,实现了超浸润在原位水平的快速可逆转变。电化学原位拉曼结果表明,施加电位时,锡原子逐渐沉积到电极表面,有效抑制了电极表面氢键网络的形成,此时电极表面不利于水的铺展,因此油滴极易在该表面完全铺展,形成超亲的状态;而移除电位之后,锡原子逐渐溶解,电极表面恢复成高表面能的铜原子表面,易于形成稳定的氢键网络,此时电极表面不利于油的铺展,因此油滴在该表面会逐渐收缩,直至完全收缩成球状(超疏液)。因此,构筑了一种living”的二元金属表面,实现了原位的超浸润可逆转变,该转变可多次循环,且对极性的/非极性的液体均适用。利用这种简单的方法,大范围内原位调控了液膜的铺展和收缩,实现了外场驱动下的柱状刚性纤维对液体的可控操控:连续快速的收集/合并微小液滴,并可控释放为一个完整的液滴。重要的是,这一全新的二元金属“living”表面具有良好的普适性,可扩展到其他二元金属体系,包括Cu/PbCu/SbAu/SnAu/PbAu/Sb代表了一类新型的操控液体的智能表面。相关工作发表在《Nature Communications》 (DOI:10.1038/s41467-019-09201-1)上,北京航空航天大学研究生徐波杰和汪前彬为本文第一作者。

该工作不仅为开放体系液体的操控提供了新思路,且有望用于液体中原位调控气/液/固三相接触线的相关反应体系。该工作得到了中国科学院化学研究所王栋研究员和北航化学学院江雷院士的大力支持,在此致以诚挚的感谢。

1电化学调控的超浸润原位可逆转变。通电时,球状液滴逐渐在基底铺展,直至完全铺展,实现从超疏到超亲的转变;断电时,完全铺展的油滴逐渐收缩,直至恢复成初始的球状液滴,实现从超亲到超疏的转变,从实验上首次原位的实现了超浸润可逆转变。

2二元金属表面超浸润转化的机理分析:(a)原位电化学拉曼结果表明施加电压和去除电压时该表面的氢键网络显著不同;(b)原位超浸润转化的机理卡通图。

3a)二元金属表面超浸润转化的能量理论分析及模拟;(b)该表面可以实现多种范围内表面浸润性的转变;(c)基于该体系实现了柱状刚性纤维对液体的可控操控。

刘欢,化学学院,研究员,E-mail: liuh@buaa.edu.cn

参考文献

Qianbin Wang, Bojie Xu, Qing Hao, Dong Wang, Huan Liu*, Lei Jiang,In situ reversible underwater superwetting transition by electrochemical atomic alternation.Nature Communications, 2019, 10(1): 1212.  

原文链接https://www.nature.com/articles/s41467-019-09201-1