刘鸣华

中国科学院化学研究所，北京 100190

液滴的动态行为控制。

液滴动态行为控制在日常生活和工业生产中具有重要应用。从喷淋降温、防结冰到微流控和喷墨打印，都需要控制液滴的动态行为1,2。例如，喷淋降温过程需要延长液滴撞击到热表面后的接触时间，从而提高基底的散热量3。在干旱地区对冷凝的雾气进行收集时，需要控制液滴的定向移动4。目前，研究人员发展出各种各样的方法来控制液滴的动态行为。2014年，香港城市大学王钻开等人提出，合理设计基底的微结构可将液滴在超疏水表面的接触时间缩短至原来的四分之一5。2016年，北京航空航天大学陈华伟、张德远和中国科学院理化技术研究所江雷等人发现，猪笼草口缘区的微结构具有控制液体快速单向移动的能力6。

然而，对液滴动态行为的简单控制已难以满足实际应用中的复杂需求。微流控技术中，仅依靠液滴的移动行为，难以从液滴中取出试剂进行反应。对下落液滴碰撞行为的精确控制，在高精度打印、液滴定向输运以及新型能量收集与利用等方面具有广泛的潜在应用。因此，拓宽液滴动态行为的控制方式，提高液滴动态行为的控制精度，成为亟待解决的关键问题。

中国科学院化学研究所宋延林研究员研究组与清华大学冯西桥教授研究组合作，首次实现了液滴撞击后的旋转行为7。通过对固体表面的粘附力图案进行设计，当液滴碰撞到基底后铺展成的液膜在不同区域受到差异化的粘附力，使液膜产生不对称的回缩行为。非向心的粘附力对液滴形成力矩，作用效果随着液膜的回缩逐渐累积，最终在液滴内部产生角动量，使液滴在回弹过程中发生旋转。通过图形优化，液滴旋转速度最高可达7300 r∙min−1。该过程实现了液滴碰撞前后平动能向转动能的转化，突破了经典牛顿碰撞定律的描述范畴，为表面能的利用提供了全新的思路。进一步，他们提出了表面粘附力图案控制液滴碰撞行为的系统性规律，实现了对液滴碰撞行为的精确调控。

通过对基底的粘附力图案进行设计，宋延林研究员研究组进一步实现了对液滴碰撞后回弹行为的精确控制8。他们发现，引入不对称的粘附力图案，对液滴回弹行为进行诱导，可使液滴产生侧向回弹，且侧向回弹动量与最大铺展时的特征区域面积呈正相关。研究表明，该规律对不同的撞击速度和粘附力图案都具有良好的普适性。基于该原理的液滴精准回弹为功能材料的定点输送提供了新思路，也为提高液滴动态行为的控制精度提供了参考。

除了利用图案化粘附力表面控制液滴的动态行为，宋延林研究员研究组还通过磁场调节的动态结构，首次实现了对液滴切割、移动、释放和旋转等多种动态行为的控制9。与简单的液滴移动行为不同，实现液滴的多种动态行为需要实时改变液滴所受的驱动力和阻力。在该研究中，他们使用磁场控制两个不锈钢球来操纵液滴。通过调节磁场改变两球的中心距，可以对液滴前后两端的三相线所受阻力进行重新分配。当中心距较小时，液滴前方阻力较小，后方阻力较大，小球移动时液滴就会被从中间扯断，实现液滴的切割。当中心距较大时，前方的阻力较大，小球无法拖动液滴，实现液滴的释放。当中心距合适时，前后方阻力相匹配，液滴就会随钢球移动。此外，调节磁场还能转动小球，实现液滴旋转，加速液体混合。除了在固体表面操控水滴外，该技术还可拓展到多种流体以及限域空间中的液滴操控。这种液滴复杂行为控制技术可望实现生物化学实验的自动化操控。而且，该技术在血管清理、胆固醇去除等医学领域也具有广泛的潜在应用。

上述研究工作近期分别在Nature Communications、Advanced Materials Interfaces、Science Advances等期刊上发表7–9。这些工作发展了液滴的动态行为研究，促进了液滴科研领域的发展，拓宽了液滴研究的应用领域。