神奇微結構表面讓非潤濕性固液表面發(fā)生逆轉

潤濕性的研究對于人們生活和工業(yè)生產(chǎn)有著將其重要的意義，例如發(fā)電廠中鍋爐和冷凝器表面性潤濕性較差導致液體難以疏導走會影響發(fā)電效率；在石油開采過程中通過改巖石表面潤濕性能，可以減少石油相吸附來以提高石油采收率；我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫牟徽冲伨褪切枰诒砻嬖黾油繉邮褂偷尾粷櫇駚磉M行改良。

因此科研人員針對不同應用場景下的潤濕性能調(diào)控及應用進行了大量研究，形成了多種調(diào)控方法。

如果想要精確控制潤濕性，那么需要對潤濕機理了解清楚，人們一般通過定義液滴與固體侵潤后形成的接觸角來評價潤濕性的性能，接觸角與固、液和氣相之間的界面表面張力分布有關，最終導致形成的表面能存在差異。

如果固體表面能大于液體表面能，則液體將會更容易潤濕表面，其接觸角較小會形成半毛細吸收態(tài) (Hemiwicking State) 或毛細吸收態(tài)（Wicking State），反之接觸角過大則會形成非潤濕性的凱西態(tài)（Cassie State)。

因此設計不同接觸面的表面能對于控制界面潤濕性是很重要的，大量研究表明可以通過表面活性劑實現(xiàn)對表面的改性而修飾其表面能。也有相關研究表面高濕潤性可以通過表面粗化來實現(xiàn)，使液滴在接觸表面時呈現(xiàn)低接觸角。也有部分研究通過表面微結構使界面形成非潤濕狀態(tài)。但是怎樣讓難潤濕的界面變成潤濕狀態(tài)呢？

如何讓難以馴服的液態(tài)汞潤濕表面
近日來自 MIT 機械工程學院的 Evelyn Wang 教授課題組的 Kyle Wilke 博士和陸正茂博士首次通過構造固體表面微觀結構的方式實現(xiàn)了傳統(tǒng)非潤濕固液界面轉變到理想潤濕性水平。

該方法有望使所有液體高度濕潤固相表面，包括超高表面張力流體，如液態(tài)金屬汞。液態(tài)汞通常被認為是高度不潤濕表面的，但它卻是一種好的導熱材料，在某些特殊場景有著非常重要的作用。

陸博士所在的團隊通過設計一種帶有凹角微槽結構的表面，使得液態(tài)汞在沒有化學反應的情況下可以潤濕表面，達到半毛細吸收態(tài)。實驗顯示液態(tài)汞在該含氟涂層的微結構硅表面將接觸角縮小到 35°以下實現(xiàn)潤濕效應，而在普通表面的非潤濕狀態(tài)時接觸角為 143°。

這是科研人員首次通過表面微結構的方式顯示了從未有過的潤濕機制，這項新工作為可潤濕性的控制打開了大門。該成果在 2022 年 1 月，以《讓傳統(tǒng)非浸潤表面浸潤超高表面能液體》“Turning traditionally nonwetting surfaces wetting for even ultra-high surface energy liquids”為題發(fā)表在美國權威雜志《PNAS》上[1]，并且得到了 MIT 官網(wǎng)首頁的報道。
陸博士所在的團隊采用新方法對表面進行處理，構造一種帶有凹角的槽式微結構，每個槽道從側刨面觀察頂部的開口比空腔的其余部分更窄。然后使用一種液體對槽道進行填充預處理，同時在微結構的開口處留下暴露液體區(qū)域，實現(xiàn)了開口處的表面張力分布改變。

當添加另一種液體時，該液體可能與預加載到表面的液體相同或不同，實現(xiàn)了表面的非潤濕性轉變?yōu)闈櫇裥誀顟B(tài)。陸博士表示為了證明該結構的強大潤濕性能，他們在硅基表面還涂有一層 60nm 厚的聚合物 C4F8, 由于涂層是一種低表面能材料，它通常會使表面更具疏水性，使得界面的潤濕更加困難。

而在這項工作中使用的特殊設計槽道凹角表面，在通過強力抽真空條件下預充液態(tài)汞后，液態(tài)汞被截留在凹角槽道結構中形成特殊表面能的界面，而位于頂部的汞滴與之接觸后則呈現(xiàn)半毛細吸收態(tài)的潤濕界面。
凹角微結構牢牢＂抓住＂液態(tài)汞液滴


陸博士表示他們的實驗和理論分析已經(jīng)證明，高潤濕性是可以通過引入特殊設計的微結構實現(xiàn)的，而不需要考慮界面本身內(nèi)在的潤濕性。

槽道結構的凹角通過界面張力分布實現(xiàn)表面能的特殊設計，可以構造局部表面能勢壘使液體在表面中保持亞穩(wěn)態(tài)的半毛細吸收狀態(tài)，即使液體本質上是非潤濕的，也可以達到半毛細吸收狀態(tài)。

在該結構中，槽道開口處的凹角的彎曲方向至關重要，對應不能的固液界面可以微調(diào)結構設計參數(shù)實現(xiàn)潤濕性的改變。因此微結構實現(xiàn)的這種亞穩(wěn)態(tài)使人們能夠合理地控制潤濕行為，而不依賴于所使用的固液界面的表面能。

與這種具有特殊凹角的槽道對比，普通槽道微結構則不能實現(xiàn)潤濕狀態(tài)，因為無法構造局部表面能勢壘將液滴封閉在半毛細吸收狀態(tài)。因此通過特殊微結構改變界面潤濕性這一概念的引入，將有望對利用潤濕性可控性的技術產(chǎn)生甚遠影響。

固液界面的潤濕性可控有望成為現(xiàn)實

目前來說，雖然在制造該微結構表面上存在諸多挑戰(zhàn)，但陸博士表示：這項研究中的微結構是使用傳統(tǒng)半導體制造工藝制造的，整個制造過程相對來說較為復雜，但目前只是為了機理驗證而進行的工藝加工。

他們也正在探索其他加工方法，例如將來會嘗試使用 3D 打印或超快激光加工等工藝來實現(xiàn)表面結構的制造，尤其是在復雜凹角結構的加工實現(xiàn)工藝上的突破。

這項工作中，通過理論和實驗證明了表面工程可以將傳統(tǒng)意義上的非潤濕界面編程高潤濕性界面，這大大拓寬了潤濕界面的應用空間。例如現(xiàn)在很多精密電子產(chǎn)品或設備中使用的高溫熱管，可用于將熱量從一個地方傳導到另一個地方。

但傳輸熱量的媒介一般是液態(tài)金屬，眾所周知這些流體的表面張力非常高，很難實現(xiàn)表面潤濕。但是該團隊的這種新方法將會突破這一限制，實現(xiàn)液態(tài)金屬的高傳導性和高潤濕性雙優(yōu)性能表現(xiàn)。
同時陸博士所在的團隊還在繼續(xù)探索和改進微結構設計，研究其在轉變界面潤濕性的作用。例如槽道開口的表面積和間距主要決定了它們的潤濕性行為，但它們的深度可能會影響這種行為的穩(wěn)定性，因為更深的孔更耐蒸發(fā)，這可能會破壞潤濕性的改善。

更進一步的研究很多行業(yè)會受益，無論是化學加工業(yè)、水處理行業(yè)還是熱產(chǎn)品行業(yè)等。同時陸博士還表示在本研究中通過微結構表面實現(xiàn)了最難的汞-聚合物 C4F8 的不潤濕性轉變，因此對于難度較低的非潤濕性界面，理論上可以更靈活地選擇合適的微結構表面，這必將開啟一個全新領域的研究。

陸博士目前正在 MIT 進行博士后研究工作，主要方向是使用納米工程方法來解釋蒸發(fā)動力學。目前正致力于使用新穎工程材料為建筑或者易腐物品創(chuàng)造高性能被動冷卻解決方案，從界面輸運角度優(yōu)化能源系統(tǒng)等方面的研究。

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參考：
1、Wilke KL, Lu Z, Song Y, Wang EN. Turning traditionally nonwetting surfaces wetting for even ultra-high surface energy liquids. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2022 Jan 25;119(4).