抽刀断水的刀还能让水滴跳芭蕾发电？

作者：李会增 宋延林

来源：科学大院（ID：kexuedayuan）

抽刀断水水更流，举杯消愁愁更愁。

自古以来，把水斩断往往比借酒消愁更加困难。即使锋利的刀剑，面对涓涓细流也显得无可奈何。

不过，如果有一把无形的“刀”，情况就完全不同了。

这把“无形刀”就是物体表面的特殊粘附力图案。

近日，中科院化学所宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰研究团队合作，在固体表面设计粘附力图案，当下落的液滴碰撞到该固体表面后，液滴能够在毫秒时间尺度内完成自发切割，成为数目可控的多个小液滴，并可在预设的位置进行沉积。该项研究利用只有分子层厚度的“无形刀”实现了液滴的快速可控切割，并提出了液滴切割的定量化判据，在功能器件制备、组合化学及快速检测等领域具有应用前景。研究成果近日发表于《Angewandte Chemie International Edition》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10535- 10539），被期刊选为Hot paper（看论文请戳“阅读原文”）。

无形的“液刀”切割液滴过程及文章封面亮点报道

微液滴的可控制备及在固体表面的沉积对于高通量筛选、功能材料图案化以及复杂样品分析检测等过程非常重要。由于液体的流动性和可变形性，以及分子间存在的范德华力、氢键等相互作用，均匀微液滴的制备往往需要借助复杂的设备，例如喷墨打印机、微流控设备等。使用滴管、移液枪等常见工具制备体积相等、分布均匀的微液滴阵列，一直是一个难题。

研究人员在低粘附的固体表面设计制备了高粘附的图案。由于该制备通过选择性分子修饰过程实现，因此整个表面的物理形貌相同，仅存在化学分子层的差异。

固体表面“液刀”的形貌表征和分子结构示意图

借助高速成像系统，研究人员发现，当液滴以一定下落速度碰撞到该固体表面后，其首先铺展成为近似圆形的液膜，并在2毫秒左右的时间内达到最大程度的铺展。随后，不同位置的液膜发生不对称的回缩，并在数毫秒时间内将液滴切割形成多个微液滴。通过对粘附力图案进行设计，可以将一个液滴切割成为不同数目且体积均匀的微液滴。并且，切割形成的微液滴能够在预设的区域进行沉积，形成微液滴阵列图案。

切割各种功能材料液滴形成的微液滴图案

研究人员对该过程进行了建模和分析，发现控制液滴在固体表面行为的因素为固液之间的粘附力。通过对表面粘附力的调控，能够诱导铺展液膜产生各向异性的回缩行为。基于对该过程的分析，研究人员提出了液滴切割过程的定量化控制规律。

液滴切割过程建模分析

为了研究无形“刀”切割液滴过程中的流体动力学过程，研究人员将氯化铁溶液作为待切割液滴，并在左侧的高粘附区域预先沉积硫氰化铵。硫氰化铵能够和氯化铁发生反应，产生红色络合物。对该过程进行观测，可以看出在液滴接触图案化基底的瞬间（<1毫秒），处于左侧高粘附区域的液体内部已经出现红色络合物。随着液滴铺展以及后续切割的进行，红色络合物一直被限域在低粘附“刀刃”的左侧，不同微液滴间未发生物质交换。

基于此原理，研究人员在基底表面的四个高粘附区域预先沉积四种化学物质，当液滴滴加到该表面并通过自切割形成四个微液滴后，能够分别与四种物质发生相互独立的反应，并且能够对不同反应进行实时观测和对比。进一步，研究人员制备了具有四个检测区域及一个参比区域的污水检测芯片。当一滴污水滴加到该表面后，能够同时对污水中的多种金属离子及酸碱性等进行快速鉴定，为未来的便携式检测设备研发、组合化学等方面提供了新的思路。

本项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划和博士后基金资助。

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作者单位：中国科学院化学研究所

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