在沒有附加力的情況下，甚至在沒有重力的情況下，在固體表面高速長距離移動液滴，是一項艱巨的任務。

但是，由香港城市大學(CityU)和其他三所大學及研究機構(gòu)的科學家組成一個研究小組設計了一種新機制，可以在沒有額外力輸入的情況下，以創(chuàng)紀錄的速度和距離運輸液滴，液滴可以沿著垂直表面向上移動，這是以前從未實現(xiàn)過的。這種控制液滴運動的新策略在微流體裝置、生物分析裝置等領域具有廣闊的應用前景。

傳統(tǒng)液滴輸送方法包括利用液滴表面的潤濕梯度誘導驅(qū)動力，使液滴從疏水表面向親水表面移動。然而，托換液滴的基本流體動力學特性存在局限性：液滴高速運輸需要較大的潤濕梯度，而長距離運輸需要較小的潤濕梯度，以減小液固表面的粘合力，從而限制了運輸速度。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員設計了一種新策略，實現(xiàn)了液滴在不同基質(zhì)上的單向自驅(qū)動運輸。研究展示了前所未有的性能：最高傳輸速度(1.1m/s)是以前報道的10倍，代表最長的無限傳輸距離。

表面電荷密度的處理

這一突破的關鍵在于通過液體接觸操縱表面電荷，這是第一次實現(xiàn)。研究小組首先將一串水滴滴在之前開發(fā)特別設計的超疏水(超疏水和超拒油)表面。當水滴撞擊到表面時會立即擴散、收縮并從表面反彈回來。這導致電子從水滴中分離出來，受影響的表面帶負電荷。通過調(diào)節(jié)液滴落在表面的高度，表面電荷密度逐漸發(fā)生變化，形成梯度。當液滴隨后被放置在該表面時，表面電荷密度梯度起著驅(qū)動力的作用。液滴會自我推進，并向更高的電荷密度方向移動。

不同于化學梯度或形態(tài)梯度，一旦它們被創(chuàng)建就很難改變，電荷密度梯度可以很容易地改變，從而使液滴運動路徑的重新編程成為可能。研究表明，液滴高速超長輸運可以在室溫下被激發(fā)，不需要額外的能量。這種液滴輸運不僅表現(xiàn)在平面上，而且還表現(xiàn)在靈活的垂直放置的平面上。此外，各種液體可以運輸，包括那些低表面張力，低介電常數(shù)，血液和鹽溶液。

微流體器件的應用潛力

研究人員設想，利用表面電荷密度梯度來編程液滴傳輸?shù)膭?chuàng)新，這是以前沒有探索過的，將開辟一個新研究方向和應用潛力。例如，在生物醫(yī)學中，具有優(yōu)先電荷密度梯度的表面設計可能會影響細胞遷移和其他行為，這一策略可以應用于微流體芯片實驗室設備和生物分析設備，以及材料科學、流體動力學等領域。

博科園｜研究/來自：香港城市大學

參考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-019-0440-2

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