自然界中，許多生物都能夠運(yùn)輸或收集液滴。在過(guò)去的幾十年里，人類從大自然中獲取靈感，制備出許多能夠?qū)崿F(xiàn)液滴輸運(yùn)、收集、分離等操控的功能表面。從最初主要利用材料的潤(rùn)濕性實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的“被動(dòng)”操控，到設(shè)計(jì)功能表面通過(guò)響應(yīng)外界激勵(lì)對(duì)液滴進(jìn)行“主動(dòng)”操控，潤(rùn)濕性可響應(yīng)的液滴操控技術(shù)不斷發(fā)展。其中，光響應(yīng)液滴操控功能表面以光作為激勵(lì)場(chǎng)，通過(guò)光熱、光電等效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴的豐富操控。相比于電激勵(lì)型液滴操控表面復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)與制備流程，大多數(shù)光響應(yīng)型液滴操控功能表面僅通過(guò)摻雜吸光顆粒及表面處理即可獲得，極大地降低了制備和維護(hù)成本；相比于磁響應(yīng)表面，光響應(yīng)型功能表面主要利用光點(diǎn)進(jìn)行指向，操作靈活且精度高，抗磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)。因此，光響應(yīng)液滴操控功能表面的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用成為了智能潤(rùn)濕表面研究領(lǐng)域的重要課題。

近期，西北大學(xué)及浙江大學(xué)研究人員在《光電工程》期刊上發(fā)表了題為“光響應(yīng)液滴操控功能表面研究及應(yīng)用進(jìn)展”的綜述文章。該綜述簡(jiǎn)要回顧了光響應(yīng)液滴操控功能表面的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了其操控液滴的基本原理，分析并總結(jié)了當(dāng)前該功能表面的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及相應(yīng)的制備技術(shù)。此外，介紹了光響應(yīng)液滴操控功能表面在液滴輸運(yùn)、融合、分割、“液滴機(jī)器人”、微流控芯片等領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，結(jié)合光響應(yīng)液滴操控功能表面的操控特點(diǎn)對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)潛在應(yīng)用進(jìn)行了展望。

光響應(yīng)液滴操控技術(shù)的發(fā)展歷程

隨著近年來(lái)光操控液滴技術(shù)的迅速發(fā)展，人們利用光熱效應(yīng)引發(fā)材料表面張力變化、形變、相變或通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)控，克服了早期光響應(yīng)液滴操控功能表面存在的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、移動(dòng)速度慢等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了具有快速響應(yīng)的光響應(yīng)液滴操控表面。圖1展示了近20年來(lái)光響應(yīng)液滴操控的突出成就和進(jìn)展。 ?



圖1 光響應(yīng)液滴操控功能表面發(fā)展概況 ?

光響應(yīng)液滴操控原理

（1）光熱效應(yīng) ? 以光熱效應(yīng)為原理的光響應(yīng)液滴操控功能表面主要利用潤(rùn)濕梯度力、功能表面材料或液滴的相變、機(jī)械形變來(lái)實(shí)現(xiàn)液滴的運(yùn)輸、分裂、融合捕獲等操作。 ?

圖2 基于光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光響應(yīng)液滴操控：（a）潤(rùn)濕梯度力操控液滴輸運(yùn)原理；（b）“空腔輔助”超疏水表面光熱液滴彈跳；（c）光熱形狀記憶液滴操控功能表面潤(rùn)濕性切換機(jī)理

（2）光電效應(yīng) ? 以光電效應(yīng)為原理的光響應(yīng)液滴操控功能表面主要利用光激勵(lì)功能表面的不均勻電荷分布產(chǎn)生介電泳力或者通過(guò)在電介質(zhì)上施加外部電場(chǎng)使液滴潤(rùn)濕性質(zhì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變（光電潤(rùn)濕效應(yīng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)液滴操控。 ?

圖3 基于光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光響應(yīng)液滴操控：（a）光熱釋電功能表面液滴操控原理；（b）光熱釋電效應(yīng)調(diào)制材料電潤(rùn)濕性

光響應(yīng)液滴操控功能表面實(shí)現(xiàn)方法

（1）光-熱型 ? 圖4為典型光-熱型液滴操控表面構(gòu)造及液滴操控示意。該類液滴操控表面包括：潤(rùn)滑劑浸注型以及記憶型材料光響應(yīng)液滴操控功能表面。如圖4a、4b所示，潤(rùn)滑劑浸注型通常由光熱層與潤(rùn)滑層構(gòu)成。光熱層具有微納結(jié)構(gòu)，其主要作用是產(chǎn)生毛細(xì)作用、范德華力等來(lái)鎖住潤(rùn)滑劑（硅油、石蠟等）。近紅外光照射后光熱層產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)造成潤(rùn)滑層的張力或者粘滯力下降，因而液滴會(huì)在潤(rùn)濕梯度力或重力的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生移動(dòng)。如圖4（c）所示，記憶型光熱響應(yīng)液滴操控表面通常僅由單個(gè)光熱層構(gòu)成。光熱層表面具有微結(jié)構(gòu)，能夠使光熱層在未形變的狀態(tài)下呈現(xiàn)為超疏水且低粘滯力狀態(tài)，兼具記憶型材料特點(diǎn)。該綜述詳細(xì)介紹了光熱層基材制備、液滴操控功能表面微納結(jié)構(gòu)加工和潤(rùn)滑層作用原理。 ?



圖4 光-熱型液滴操控表面構(gòu)造以及液滴操控示意：（a）硅油浸注型；（b）石蠟浸注型；（c）記憶型 ? （2）光-電型 ? 基于介電泳力、電潤(rùn)濕及光電導(dǎo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)液滴操控的可稱為光-電型液滴操控功能表面。圖5為典型的光-電型液滴操控功能表面結(jié)構(gòu)及液滴操控示意。該綜述具體敘述了各類光-電型液滴操控表面的結(jié)構(gòu)和液滴驅(qū)動(dòng)原理，以及超疏層和光電導(dǎo)電極加工方法。 ?



圖5 光-電型液滴操控表面的構(gòu)造以及液滴操控示意：（a）光-熱釋電介電泳力型；（b）光伏效應(yīng)介電泳力型；（c）光-熱釋電潤(rùn)濕型；（d）光電導(dǎo)-電潤(rùn)濕型

光響應(yīng)液滴操控功能表面的應(yīng)用

基于光響應(yīng)液滴操控功能表面已可以實(shí)現(xiàn)液滴輸運(yùn)、融合與分割、抓取與釋放等多樣化的液滴操控功能。該綜述展示了該類功能表面在“液滴機(jī)器人”、微流控芯片、生物、化學(xué)分析、水下氣泡操縱領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。其中，基于光響應(yīng)液滴操控的“液滴機(jī)器人”對(duì)于未來(lái)微型光電系統(tǒng)、柔性機(jī)器人、藥物投遞有著重要的參考價(jià)值；而光響應(yīng)液滴操控功能表面與微流控芯片技術(shù)的深化融合將為在生物、化學(xué)分析領(lǐng)域開(kāi)發(fā)智能化、高通量的細(xì)胞培養(yǎng)、藥物篩選、化學(xué)合成、分子檢測(cè)芯片等提供思路；除此之外，能實(shí)現(xiàn)水下液滴、氣泡操控的光響應(yīng)功能表面，在微粒、微機(jī)械乃至細(xì)胞操控等方面具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

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圖6 “液滴機(jī)器人”挪移物體，穿越通道以及清潔污漬

目前，對(duì)于光響應(yīng)液滴操控功能表面的研究主要集中體現(xiàn)在：發(fā)展新型操控原理、開(kāi)發(fā)新型功能材料、提升功能表面性能、擴(kuò)展液滴操控應(yīng)用等方面。繼續(xù)探索新型液滴操控原理、發(fā)展新型光響應(yīng)材料、降低激光光熱損傷、實(shí)現(xiàn)液滴多模態(tài)群體以及相分離精準(zhǔn)操控等仍是光操控液滴研究領(lǐng)域的未來(lái)研究方向；此外，深化光響應(yīng)液滴操控表面在微觀柔性機(jī)器人、精細(xì)化工合成控制、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)與分析等方面的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)緊湊、高兼容、多功能的光響應(yīng)液滴操控平臺(tái)與系統(tǒng)也將是研究人員重點(diǎn)探究的問(wèn)題。??






審核編輯：劉清