具有微納結構的表面對許多植物和昆蟲在自然界中的生存起到了關鍵作用。例如，各向異性表面可以使液滴沿著蝴蝶翅膀向外滾落，水黽可以在水面上行走，植物可以捕獲花粉和昆蟲。通過模仿自然界動植物表面，多種具有各項異性潤濕性的工程材料為智能微流控，綠色印刷，自清潔涂層，生物醫學等領域做出了積極貢獻。但是，很多材料表面性質的動態變化通常需要是非原位實現的，限制了它們的潛在應用。除此之外，目前大部分表面雖然可以用于液滴轉移，但卻缺乏分析液滴特性并分類的能力。
眾所周知，荷葉由于其表面均勻的植物蠟和獨特的乳突結構而呈現各向同性超疏水性；蝴蝶翅膀的微結構導致其翅脈正向和逆向方向的滾動角存在差異而呈現潤濕性的各向異性。武漢大學薛龍建教授課題組（NISE-Lab）結合荷葉與蝴蝶翅膀潤濕性的特點，設計出一種仿生智能表面（簡稱TMAS），如圖1：借助于機械應力，它具有原位可逆操作水滴的能力，并能區分液體的酸性/堿性以及酸堿強度。
圖1 由（A）各向同性超疏水荷葉和（B）各向異性潤濕性蝴蝶翅膀啟發的（C）智能表面TMAS
TMAS是通過在預先拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上接枝三角形微柱陣列而成。調節PDMS薄膜中應力的施加方向及大小，可獲得不同排列方式的三角形微柱狀陣列，如“首尾相連”和“肩并肩”等（圖二）。由于三角形本身形狀的各向異性，他們定義了A和E兩個方向。當y方向的周期（Py）由40μm增至51 μm時，A和E方向的滾動角都有緩慢增加的趨勢，但A和E方向上的滾動角無顯著性差異，呈現類似荷葉的各向同性潤濕性行為。當Py由40μm 減小至24 μm時，A和E方向的滾動角顯著增加，尤其是E方向，旋轉至180o, 液滴也不會滾落，呈現類似蝴蝶翅膀的各向異性潤濕（各向異性度ΔSA=258.3± 2.5°）。對于其他形狀的微柱設計，例如，圓形、正方形和正六邊形，則無法獲得各向同性/各向異性潤濕性狀態的自由轉換。
圖2 （A）“首尾相連”TMAS，（B）“肩并肩”TMAS，（C）滾動方向及滾動角定義（SA），（D）y方向上，SAA和SAE隨陣列周期（Py）的變化規律，（E）不同形狀微柱設計的各向異性度ΔSA隨Py的變化規律
TMAS能夠實現各向異性是由于A和E方向上三相線（TCL）的差異。當Py=24 μm時，連續性TCLE的能壘大于離散式TCLA。液滴滾向A方向時，由于TCLE的強釘扎力，液滴后退角處的TCL被牢牢釘住，使得液滴無法滾動。轉換方向朝E滾動時，后退角處為TCLA，釘扎力弱，液滴在重力作用下嚴重變形，當達到某一傾角時即可滾落。從A方向無法滾落到E方向易滾落的整個過程中，液滴始終處于Cassie狀態，實現了由強黏附到易滾落狀態的原位轉換。
基于原位轉換特性，TMAS表現出強大的液滴運輸能力。在運輸過程中，TMAS可以從不同的傾斜角度抓取液滴，并通過向E方向旋轉釋放液滴。不同的拉伸應變，TMAS可運輸不同體積的液滴（從2到12 μL）。同時利用A方向上的強黏附力，TMAS除了可以將液滴運輸到一個水平表面，還可以將其運輸到傾斜的、垂直的，甚至是倒置的表面上，表現出很大的自由度及容差率。
基于機械應力可以實時調控前進角與后退角處三相線形態，TMAS還具備識別酸堿及檢測液滴pH的優異性能。當將酸堿液滴置于兩種不同周期的TMAS上并緩慢拉伸時，二者都是酸性液滴先滾落，繼續拉伸一定程度，堿性液滴才后續滾落，輕松實現對酸堿的識別。而對于具有不同pH的兩種酸或兩種堿，TMAS也可以實現pH大小的比較。當緩慢拉伸TMAS時，強酸和弱堿會優先滾落，弱酸與強堿則稍后滾落。
通過結合蝴蝶翅膀與荷葉潤濕性特點設計的仿生智能表面實現了瞬時液滴高黏附狀態與滾動狀態的原位轉換，同時擁有多角度抓取及釋放、識別酸堿及檢測液滴pH的優異性能。該工作對新型化學傳感器的研究提供了新的思路。
上述成果發表于Advanced Science, 2020, 2001650，論文的第一作者為課題組2017級博士生李倩，通訊作者為薛龍建教授。該研究得到國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金的支持。
NISE-Lab長期致力于仿生黏附材料（固固界面、固液界面、固液固界面）相關研究，相關成果還發表在Mater. Today 2020, 35, 42；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 19116；Small 2019, 15, 1904248；ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 46337；ACS Nano 2017, 11, 9711；Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1499；Nat. Commun. 2015, 6, 6621；Nano Lett. 2013, 13, 5541等國際頂尖期刊上。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001650
課題組網站：http://niselab.whu.edu.cn/
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