神奇微结构表面让非润湿性固液表面发生逆转 “新竹出林时解箨

“新竹出林时解箨，小荷翻露已成珠”出自宋代诗人陆游之笔，描述的正是自然界荷叶上滚动的水珠。那荷叶上的水珠为什么没有像玻璃上的水而散开呢？这两种物理现象的不同就与表面润湿性有关了，润湿性指的是液体润湿并附着固体表面的能力，表现为某种液体在其表面能够伸展的能力。
润湿性的研究对于人们生活和工业生产有着将其重要的意义，例如发电厂中锅炉和冷凝器表面性润湿性较差导致液体难以疏导走会影响发电效率；在石油开采过程中通过改岩石表面润湿性能，可以减少石油相吸附来以提高石油采收率；我们日常生活使用的不粘锅就是需要在表面增加涂层使油滴不润湿来进行改良。
因此科研人员针对不同应用场景下的润湿性能调控及应用进行了大量研究，形成了多种调控方法。
如果想要精确控制润湿性，那么需要对润湿机理了解清楚，人们一般通过定义液滴与固体侵润后形成的接触角来评价润湿性的性能，接触角与固、液和气相之间的界面表面张力分布有关，最终导致形成的表面能存在差异。
如果固体表面能大于液体表面能，则液体将会更容易润湿表面，其接触角较小会形成半毛细吸收态(HemiwickingState)或毛细吸收态（WickingState），反之接触角过大则会形成非润湿性的凯西态（CassieState) 。
因此设计不同接触面的表面能对于控制界面润湿性是很重要的，大量研究表明可以通过表面活性剂实现对表面的改性而修饰其表面能。也有相关研究表面高湿润性可以通过表面粗化来实现，使液滴在接触表面时呈现低接触角。也有部分研究通过表面微结构使界面形成非润湿状态。但是怎样让难润湿的界面变成润湿状态呢？

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图1：液滴润湿和非润湿表面的接触角变化及表面能态（来源：PNAS）
如何让难以驯服的液态汞润湿表面
近日来自MIT机械工程学院的EvelynWang教授课题组的KyleWilke博士和陆正茂博士首次通过构造固体表面微观结构的方式实现了传统非润湿固液界面转变到理想润湿性水平。
该方法有望使所有液体高度湿润固相表面，包括超高表面张力流体，如液态金属汞。液态汞通常被认为是高度不润湿表面的，但它却是一种好的导热材料，在某些特殊场景有着非常重要的作用。
陆博士所在的团队通过设计一种带有凹角微槽结构的表面，使得液态汞在没有化学反应的情况下可以润湿表面，达到半毛细吸收态。实验显示液态汞在该含氟涂层的微结构硅表面将接触角缩小到35°以下实现润湿效应，而在普通表面的非润湿状态时接触角为143° 。
这是科研人员首次通过表面微结构的方式显示了从未有过的润湿机制，这项新工作为可润湿性的控制打开了大门。该成果在2022年1月，以《让传统非浸润表面浸润超高表面能液体》“Turningtraditionallynonwettingsurfaceswettingforevenultra-highsurfaceenergyliquids”为题发表在美国权威杂志《PNAS》上[1] ，并且得到了MIT官网首页的报道。

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图2：金属汞液滴润湿在微结构表面（来源：PNAS）
陆博士所在的团队采用新方法对表面进行处理，构造一种带有凹角的槽式微结构，每个槽道从侧刨面观察顶部的开口比空腔的其余部分更窄。然后使用一种液体对槽道进行填充预处理，同时在微结构的开口处留下暴露液体区域，实现了开口处的表面张力分布改变。