神奇微结构表面让非润湿性固液表面发生逆转( 二 ) “新竹出林时解箨

当添加另一种液体时，该液体可能与预加载到表面的液体相同或不同，实现了表面的非润湿性转变为润湿性状态。陆博士表示为了证明该结构的强大润湿性能，他们在硅基表面还涂有一层60nm厚的聚合物C4F8,由于涂层是一种低表面能材料，它通常会使表面更具疏水性，使得界面的润湿更加困难。
【神奇微结构表面让非润湿性固液表面发生逆转】而在这项工作中使用的特殊设计槽道凹角表面，在通过强力抽真空条件下预充液态汞后，液态汞被截留在凹角槽道结构中形成特殊表面能的界面，而位于顶部的汞滴与之接触后则呈现半毛细吸收态的润湿界面。

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图3：带有凹角的微结构侧面视图（来源：PNAS）
凹角微结构牢牢＂抓住＂液态汞液滴

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图4：凹角槽道结构构建局部能势垒的表面能变化，而普通槽槽则无法实现（来源：PNAS）
陆博士表示他们的实验和理论分析已经证明，高润湿性是可以通过引入特殊设计的微结构实现的，而不需要考虑界面本身内在的润湿性。
槽道结构的凹角通过界面张力分布实现表面能的特殊设计，可以构造局部表面能势垒使液体在表面中保持亚稳态的半毛细吸收状态，即使液体本质上是非润湿的，也可以达到半毛细吸收状态。
在该结构中，槽道开口处的凹角的弯曲方向至关重要，对应不能的固液界面可以微调结构设计参数实现润湿性的改变。因此微结构实现的这种亚稳态使人们能够合理地控制润湿行为，而不依赖于所使用的固液界面的表面能。
与这种具有特殊凹角的槽道对比，普通槽道微结构则不能实现润湿状态，因为无法构造局部表面能势垒将液滴封闭在半毛细吸收状态。因此通过特殊微结构改变界面润湿性这一概念的引入，将有望对利用润湿性可控性的技术产生甚远影响。
固液界面的润湿性可控有望成为现实
目前来说，虽然在制造该微结构表面上存在诸多挑战，但陆博士表示：这项研究中的微结构是使用传统半导体制造工艺制造的，整个制造过程相对来说较为复杂，但目前只是为了机理验证而进行的工艺加工。
他们也正在探索其他加工方法，例如将来会尝试使用3D打印或超快激光加工等工艺来实现表面结构的制造，尤其是在复杂凹角结构的加工实现工艺上的突破。这项工作中，通过理论和实验证明了表面工程可以将传统意义上的非润湿界面编程高润湿性界面，这大大拓宽了润湿界面的应用空间。例如现在很多精密电子产品或设备中使用的高温热管，可用于将热量从一个地方传导到另一个地方。
但传输热量的媒介一般是液态金属，众所周知这些流体的表面张力非常高，很难实现表面润湿。但是该团队的这种新方法将会突破这一限制，实现液态金属的高传导性和高润湿性双优性能表现。

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图｜陆正茂（来源：陆正茂）
同时陆博士所在的团队还在继续探索和改进微结构设计，研究其在转变界面润湿性的作用。例如槽道开口的表面积和间距主要决定了它们的润湿性行为，但它们的深度可能会影响这种行为的稳定性，因为更深的孔更耐蒸发，这可能会破坏润湿性的改善。
更进一步的研究很多行业会受益，无论是化学加工业、水处理行业还是热产品行业等。同时陆博士还表示在本研究中通过微结构表面实现了最难的汞-聚合物C4F8的不润湿性转变，因此对于难度较低的非润湿性界面，理论上可以更灵活地选择合适的微结构表面，这必将开启一个全新领域的研究。