抽刀断水的刀是什么样的刀?

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  文章来自“科学大院”公众号

  作者:李会增 宋延林

  抽刀断水水更流,举杯消愁愁更愁。

  

  (图片来源:veer图库)

  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。

  

  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。

  注:本文图片与视频除注明来源者之外,均为作者提供

  作者单位:中国科学院化学研究所

  文章首发于科学大院,转载请联系cas@cnic.cn

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