光响应液滴操控功能表面研究及应用进展

自然界中，许多生物都能够运输或收集液滴。在过去的几十年里，人类从大自然中获取灵感，制备出许多能够实现液滴输运、收集、分离等操控的功能表面。从最初主要利用材料的润湿性实现对液滴的“被动”操控，到设计功能表面通过响应外界激励对液滴进行“主动”操控，润湿性可响应的液滴操控技术不断发展。其中，光响应液滴操控功能表面以光作为激励场，通过光热、光电等效应实现了对液滴的丰富操控。相比于电激励型液滴操控表面复杂的电路设计与制备流程，大多数光响应型液滴操控功能表面仅通过掺杂吸光颗粒及表面处理即可获得，极大地降低了制备和维护成本；相比于磁响应表面，光响应型功能表面主要利用光点进行指向，操作灵活且精度高，抗磁场干扰能力强。因此，光响应液滴操控功能表面的开发与应用成为了智能润湿表面研究领域的重要课题。

近期，西北大学及浙江大学研究人员在《光电工程》期刊上发表了题为“光响应液滴操控功能表面研究及应用进展”的综述文章。该综述简要回顾了光响应液滴操控功能表面的发展历程，重点介绍了其操控液滴的基本原理，分析并总结了当前该功能表面的类型、结构特点以及相应的制备技术。此外，介绍了光响应液滴操控功能表面在液滴输运、融合、分割、“液滴机器人”、微流控芯片等领域的应用。最后，结合光响应液滴操控功能表面的操控特点对其发展趋势和未来潜在应用进行了展望。

光响应液滴操控技术的发展历程

随着近年来光操控液滴技术的迅速发展，人们利用光热效应引发材料表面张力变化、形变、相变或通过光电效应实现主动调控，克服了早期光响应液滴操控功能表面存在的响应时间长、移动速度慢等问题，实现了具有快速响应的光响应液滴操控表面。图1展示了近20年来光响应液滴操控的突出成就和进展。  



图1 光响应液滴操控功能表面发展概况  

光响应液滴操控原理

（1）光热效应   以光热效应为原理的光响应液滴操控功能表面主要利用润湿梯度力、功能表面材料或液滴的相变、机械形变来实现液滴的运输、分裂、融合捕获等操作。  

图2 基于光热效应实现的光响应液滴操控：（a）润湿梯度力操控液滴输运原理；（b）“空腔辅助”超疏水表面光热液滴弹跳；（c）光热形状记忆液滴操控功能表面润湿性切换机理

（2）光电效应   以光电效应为原理的光响应液滴操控功能表面主要利用光激励功能表面的不均匀电荷分布产生介电泳力或者通过在电介质上施加外部电场使液滴润湿性质产生转变（光电润湿效应）来实现液滴操控。  

图3 基于光电效应实现的光响应液滴操控：（a）光热释电功能表面液滴操控原理；（b）光热释电效应调制材料电润湿性

光响应液滴操控功能表面实现方法

（1）光-热型   图4为典型光-热型液滴操控表面构造及液滴操控示意。该类液滴操控表面包括：润滑剂浸注型以及记忆型材料光响应液滴操控功能表面。如图4a、4b所示，润滑剂浸注型通常由光热层与润滑层构成。光热层具有微纳结构，其主要作用是产生毛细作用、范德华力等来锁住润滑剂（硅油、石蜡等）。近红外光照射后光热层产生的热效应会造成润滑层的张力或者粘滞力下降，因而液滴会在润湿梯度力或重力的驱动下发生移动。如图4（c）所示，记忆型光热响应液滴操控表面通常仅由单个光热层构成。光热层表面具有微结构，能够使光热层在未形变的状态下呈现为超疏水且低粘滞力状态，兼具记忆型材料特点。该综述详细介绍了光热层基材制备、液滴操控功能表面微纳结构加工和润滑层作用原理。  



图4 光-热型液滴操控表面构造以及液滴操控示意：（a）硅油浸注型；（b）石蜡浸注型；（c）记忆型   （2）光-电型   基于介电泳力、电润湿及光电导效应实现液滴操控的可称为光-电型液滴操控功能表面。图5为典型的光-电型液滴操控功能表面结构及液滴操控示意。该综述具体叙述了各类光-电型液滴操控表面的结构和液滴驱动原理，以及超疏层和光电导电极加工方法。  



图5 光-电型液滴操控表面的构造以及液滴操控示意：（a）光-热释电介电泳力型；（b）光伏效应介电泳力型；（c）光-热释电润湿型；（d）光电导-电润湿型

光响应液滴操控功能表面的应用

基于光响应液滴操控功能表面已可以实现液滴输运、融合与分割、抓取与释放等多样化的液滴操控功能。该综述展示了该类功能表面在“液滴机器人”、微流控芯片、生物、化学分析、水下气泡操纵领域的应用进展。其中，基于光响应液滴操控的“液滴机器人”对于未来微型光电系统、柔性机器人、药物投递有着重要的参考价值；而光响应液滴操控功能表面与微流控芯片技术的深化融合将为在生物、化学分析领域开发智能化、高通量的细胞培养、药物筛选、化学合成、分子检测芯片等提供思路；除此之外，能实现水下液滴、气泡操控的光响应功能表面，在微粒、微机械乃至细胞操控等方面具有极大的应用价值。

 

图6 “液滴机器人”挪移物体，穿越通道以及清洁污渍

目前，对于光响应液滴操控功能表面的研究主要集中体现在：发展新型操控原理、开发新型功能材料、提升功能表面性能、扩展液滴操控应用等方面。继续探索新型液滴操控原理、发展新型光响应材料、降低激光光热损伤、实现液滴多模态群体以及相分离精准操控等仍是光操控液滴研究领域的未来研究方向；此外，深化光响应液滴操控表面在微观柔性机器人、精细化工合成控制、生物医学检测与分析等方面的应用，开发紧凑、高兼容、多功能的光响应液滴操控平台与系统也将是研究人员重点探究的问题。  






审核编辑：刘清