近日，电子信息与电气工程学院微纳电子学系MEMS多元兼容集成制造技术实验室丁桂甫团队在无源流体定向输运领域取得重要进展，相关成果以“Engineered Switchable-wettability Surfaces for Multi-path Directional Transportation of Droplets and Subaqueous Bubbles”（润湿性可切换工程表面实现液滴和水下气泡多路径定向输运）为题在国际顶级期刊《Advanced Materials》（IF=32.086）以封面论文的形式发表。

研究背景

开放表面上流体动力学的可控操纵在涉及气-液-固相互作用的诸多领域具有重要意义。近年来，研究人员设计了一系列具有润湿性和/或几何梯度的超润湿表面，以实现无能耗的流体定向输运。其中，Janus梯度表面因其结构简单、易于加工及多尺度适应性等优点被广泛应用。

然而，固定的润湿性使其只能输运单相流体，且输运路径的单一性导致其对路径缺陷非常敏感：部分缺陷可能导致整个流道失效，过量的流体在缺陷处钉扎而无法输运至目标位点。实现气液两相流体高效高鲁棒性定向输运的创新策略非常值得探索。

亮点成果

研究团队基于十八烷基三氯硅烷(OTS)的自组装和光降解开发了一种高效通用的润湿性切换策略，并利用其调控哑铃型图案功能表面（简称为DPFS）的超润湿性，实现了气液两相流体的可编程无能耗定向输运。该输运基于表面能差异驱动，可利用多种流道结构实现，据此构建了多路径并行定向输运系统，显著提高传质效率的同时赋予了系统优异的缺陷鲁棒性：60 μL液滴和94 μL水下气泡在三流道的输运效率较双流道分别提高了46%和44%；即使部分缺陷流道失效，其余完好流道依然能够保证流体定向输运至目标位点。该工作利用简单的拓扑结构低成本地实现了高传质效率、强缺陷鲁棒性的气液两相流体定向输运，且该功能可通过多种材料复现，对流体定向输运实用化具有重要意义。

液滴和水下气泡在润湿性可切换DPFS的多路径并行输运

大多数润湿性切换策略的耗时超过30 min，最长的甚至超过2天。更重要的是，传统策略的润湿性切换大多依赖于基质本身的特性：基质表面含有光敏成分，在不同的光照环境下表现出不同的表面自由能及润湿性。这些可逆策略不具有普适性，难以用于其它材料。与之相比，该工作中基于OTS自组装和光降解的润湿性切换策略是高效且通用的，1个周期仅耗时6 min，且适用于不同基质材料。

通过控制结构尺寸调控限域效应，进而操控接触角，可构建基于表面能差异驱动流体定向输运的功能结构，据此设计了DPFS。利用润湿性切换策略调控DPFS的Janus润湿性，演示了流道结构为矩形、弧形和锯齿形的DPFS的气液定向输运，论证了设计思想的科学合理性。

在此基础上，通过调控流道结构和数量低成本地构建了多路径并行输运系统，并测试了传质效率及缺陷鲁棒性：60 μL液滴和94 μL水下气泡在三流道的传质效率较双流道分别提高了46%和44%，且三流道输运系统表现出优异的抗表面缺陷能力。与单路径流体输运相比，该系统在输运效率和可靠性方面均取得了显著提升，这是推动无能耗流体输运系统走向现实应用的关键成就。

流体在DPFS的定向输运行为和输运机制

高效率、高鲁棒性的流体定向输运

关于论文

该研究工作受上海微纳集成制造技术平台(20DZ2291300)、上海浦江计划 (22PJ1408200)、上海交通大学教师启动资金资助。电院博士生谢东东为论文的第一作者，臧法珩副教授和丁桂甫教授为论文的通讯作者，孙云娜副研究员、博士生吴永进、王凯博士、王桂莲博士为论文的合作者。

从左至右：谢东东、孙云娜、臧法珩、丁桂甫

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202208645

课题组网页：https://gpmems.sjtu.edu.cn/