人为调节表面润湿性在科研与工程中具有重要意义。自然界的壁虎、树蛙、章鱼与跳虫提供了基于表面结构形态转变来实时调节润湿性的仿生学途径。基于智能响应材料的表面结构形态转变受制于材料科学的发展。为此，上海交通大学机械与动力工程学院胡松涛副教授团队结合微流控技术，基于常规材料开发了一种气动可编程超疏水表面，实现了润湿性的原位调节以及液滴操纵（图1），在抗液防冰、农业灌溉、能量采集、液滴操纵等领域具有应用前景。广州实验室曹小宝副研究员团队、英国帝国理工学院Daniele Dini教授团队、瑞士苏黎世联邦理工学院Andrew deMello教授团队与香港城市大学王钻开教授团队为合作方。法国巴黎高等物理化工学院的 David Quéré 教授针对该研究内容发表了评论文章。（评论文章内容请见本文文末。）

图1 气动可编程超疏水表面的概念设计

每个可编程单元通过微流道连接微流控系统，由气压的通断与大小来实现独立的形态转变（图2a）。依据气压占空比与单元形变量的关联，采用脉冲宽度调制方法实现了基于单个压力源的多压力模拟（图2b）。

图2 气动可编程超疏水表面的形态控制

液滴冲击实验表明，随着冲击位置与韦伯数的变化，液滴反弹形状呈现灯泡型（保龄瓶型）、章鱼型、花朵型与溅射花朵型。相较于传统的灯泡型，章鱼型与花朵型有助于缩短固液接触时间，最大幅值达到46.8%（图3a），可归因于刚柔混合作用机制：一方面，单元变形后产生的凹凸曲率造成液滴的非对称再分布；另一方面，凸起单元在冲击载荷作用下发生形变，与液滴串联成双弹簧振子动力学系统（图3b）。进一步的理论分析表明，章鱼型液滴的“触手”总是沿着凸起单元最大曲率方向（图3c）。

图3 气动可编程超疏水表面的抗液性能

研究团队还展示了气动可编程表面的液滴操纵能力。通过编程指定的单元，可以驱动静置液滴滚动并改变滚动方向（图4a），可以触发冲击液滴定向弹跳并改变弹跳方向（图4b）。据此，可在表面编程形态通道来实现液滴混合；编程形态梯度来实现液滴定向传输；结合通道与梯度，可将上述液滴操纵能力从一维（X方向）拓展为二维（XY平面）（图4c）。

图4 气动可编程超疏水表面的液滴操纵

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/dro2.1