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  開放式微流控技術在生物檢測和化學合成等領域展現出廣闊的前景，但其液體操控仍面臨顯著挑戰。功能性結構化表面因其出色的液體控制能力而備受關注。在這一技術中，磁場、光場、電場和熱場等外部場發揮著關鍵作用。其中，熱場因其調控簡便和響應迅速，在早期液體操控中展現出獨特優勢。然而，與其他外部場相比，熱場與微結構之間的耦合機制尚未得到充分研究，這限制了其在復雜微流控系統中的進一步應用。

  近日，香港大學的Alan C. H. Tsang教授團隊在《Nano Letters》上發表了題為“Competition and Synergy in Programmable Open Microfluidics: Thermal Fields vs Structural Heterogeneities”的研究，并被選為封面文章。研究團隊構建了一種基于溫敏高分子PNIPAM接枝的異質結構表面，通過全局和局部熱場調控表面潤濕性，實現了液體的定向傳輸與可編程操控。該系z統揭示了熱場與結構之間競爭與協同的新機制，顯著提升了抗重力輸運能力，并演示了多級化學反應的空間時序控制。

  首先，圖一展示了PNIPAM接枝結構化表面的制備流程與材料表征。該結構化表面通過3D打印構建，隨后進行氧等離子處理、光引發劑涂覆和UV誘導接枝，成功制備出溫敏表面。FT-IR和AFM的表征結果證實了PNIPAM的成功接枝。接觸角測試表明，在32^oC（PNIPAM的最低臨界共溶溫度）附近發生了親疏水轉變，并在45^oC以上達到穩定的疏水狀態（此處的疏水狀態是指材料的疏水狀態，而最終的表面接觸角約為90^o，即親疏水的幾何臨界定義點），這表明材料具備良好的溫控響應性和穩定性�；�SEM和3D激光掃描顯微鏡的形貌分析展示了不同表面結構的高精度制造。

圖1. PNIPAM枝接結構化表面的制造和表征。

  在確認材料的基礎性能后，該研究進一步探討了該溫敏表面在不同工況下的液體操控行為。圖2展示了不同結構化表面（α = 45°/90°/135°）在25°C（親水態）與50°C（疏水態）下的液體運輸行為。低溫下，傾斜結構（α ≠ 90°）通過非對稱的Laplace壓力差實現定向輸運；而在高溫下，疏水表面則通過尖端異質性逆轉液體的運動方向。在無傾斜結構下（α = 90°），曲率特征在界面疏水狀態下提供了較高的異質性界面阻力，也允許定向的液體操控。這些結果表明，溫度調控可以實現對液體輸運方向的選擇性控制，凸顯了熱場與結構耦合的靈活性，為后續局部熱場的精確干預奠定了基礎。

圖2. 結構化表面上的熱調節定向液體動力學。

  通過引入局部熱梯度，圖3揭示了熱場與結構之間的競爭與協同作用。局部熱梯度可以覆蓋結構對液體引導的作用，從而抑制液體的運動（競爭作用）。而在逆重力輸運實驗中，熱梯度與結構效應的協同作用顯著提升了臨界爬升角，從2.3°增加至41.8°。此時，Marangoni力與潤濕梯度力共同克服重力，實現了高性能的抗重力輸運能力（協同作用）。

圖3. 結構效應和熱場之間的競爭與協同機制。

  這些發現的重要意義在于，熱場不僅可以單向驅動液體，還可以作為一種“編程手段”，與微結構默契配合，在不同場景中分別扮演“主導”或“輔助”角色，從而極大拓展了液體操控的邏輯維度。基于這一認識，圖4展示了基于局部加熱單元的程序化液體操控能力。通過控制加熱單元的啟停，實現了多種液體圖案，如X形、M形和波形。進一步運用時序控制觸發的多級化學反應，體現了該平臺在時空液體操控上的高度可編程性，為集成化生化分析與合成提供了新的策略。

圖4. 局部調控的可編程開放微流控平臺功能演示。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c02353