中科院深圳先进院杜学敏/港城大王钻开《Sci. Adv.》：光诱导带电润滑表面

2022-07-09 来源：高分子科技

表面无处不在，其为生命物质和非生命物质的质量与能量交换提供了独特的界面。过去十多年，作为两种典型的界面材料——润滑表面与超疏表面，在自清洁、液滴冷凝、防冰与防污等领域取得重大进展。与超疏表面不同的是，润滑表面通过润滑层的设计以取代超疏表面的微气孔，便引入如自愈合、防冰、防挥发等新功能。然而，润滑层的引入也同样带来新的问题：一方面，润滑层的存在会导致固体表面的结构梯度或电荷梯度被屏蔽，使得通过表面梯度操控液体面临挑战；另一方面，润滑层的存在也使得通过外场主动操控液体变得困难。这些问题极大制约了润滑表面的液滴操控及其实际应用。

7月9日，中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏研究员团队与香港城市大学王钻开教授团队合作，构建了一种基于智能高分子材料的新型润滑表面——LICS（light-induced charged slippery surface），通过智能高分子材料的光热诱导表面电荷高效、持续、稳定再生能力，能有效消除润滑层对表面电荷的屏蔽效应，实现液滴高速、长距离、反重力、简单液体到复杂液体、单个到多个液滴、微观到宏观尺度液滴、平面到曲面基底、开放到封闭体系的精准操控，同时还可实现封闭体系下凝血检测、原位细胞刺激与细胞响应监测等生物应用。

与传统润滑表面不同的是，LICS由三种核心元素组成：具有优异光热效应的液态金属颗粒（LMPs），和具有独特铁电效应的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）聚合物——两者协同能将光热转变为表面电荷，及用于锁住润滑层的喷涂有疏水二氧化硅纳米颗粒的微锥阵列结构。研究发现，不同种类液体如水、乙二醇、聚苯乙烯乳液、血液等在其表面均有较小的接触角滞后（< 2°）；在移动的近红外光照射下（808 nm），LICS实现液滴高速（平均速度：18.5 mm/s）、长距离、反重力运动。

图1. LICS设计。

卓越的液滴操控效果源于LICS 优异的电荷再生能力。得益于液态金属颗粒高效光热和导热性能、聚偏氟乙烯-三氟乙烯聚合物的独特铁电效应，及两者之间优异的界面亲和性，LICS在0.5 s的近红外光辐照下（100 mW/mm²），即可产生表面电荷密度高达1280 pC/mm²，而且电荷再生性能在持续10000次近红外光开/关循环或浸泡在硅油中长达6个月均无明显衰减。

图2. LICS电荷再生。

LICS的独特优势可实现润滑表面全新的液滴操控效果。研究发现，通过单束激光能同时实现三颗液滴（2 μL）集体定向、精准融合；LICS还能有效贴合在曲面基底上，实现曲面上液滴的操控与融合；此外，LICS还可以用于高粘度液体——2.0 wt%海藻酸钠与0.9 M氯化钙液滴的操控、融合，并组装成特定形貌水凝胶。LICS卓越的液滴操控特性还可拓展到以固体石蜡为润滑层的润滑表面，利用固体石蜡的温度变化触发可逆液-固相转变，同样可以实现液滴在水平与垂直LICS上的操控。

图3. LICS在开放体系下的液滴操控。

基于LICS的柔性与共形特性，LICS还可以封装成密闭的微流控芯片。利用手持激光笔即可实现LICS芯片内的液滴快速、精准穿越迷宫。LICS芯片内的无接触、远程光驱动液滴功能，既能防液滴挥发，又无需在液滴中添加辅助液滴运动的物质，避免了交叉污染，在凝血检测等生物应用方面展现出优异的可靠性；此外，利用LICS实时光热诱导表面电荷产生特性，还成功实现了LICS芯片内的细胞实时刺激与细胞响应原位监测。

图4. LICS在封闭体系下的生物应用。

该研究成果以“Light-induced charged slippery surfaces”为题发表在国际期刊《Science Advances》上，该论文第一作者是中国科学院深圳先进技术研究院博士后王芳、刘美金，论文通讯作者为中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏研究员、香港城市大学王钻开教授。该工作还获得了中国科技大学梁好均教授、初宝进教授，南京大学蒋锡群教授的帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、广东省区域联合基金重点项目、深圳市学科布局等科技项目资助。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp9369

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（责任编辑：xu）

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