液體-表面相互作用是自然界和工業環境中普遍存在的現象。仿生學、微/納米制造以及智能材料的進步，推動了液體操控表面設計三大主要策略的發展，包括物理紋理化、化學調控以及外部場干預（例如磁場、電場、光場、熱場以及聲場驅動）。這些方法加深了人們對相關領域的基礎理解，提升了各類應用中對液體的操控能力。近期的研究著重于整合這些策略，以構建多功能流體系統，例如磁化微柱陣列、光驅動可變形管以及熱調控結構化表面等。這些集成化的液體操控系統，在下一代微流控技術、能量轉換和熱管理領域具有巨大潛力。
熱致液體表面張力變化以及可切換潤濕性材料，體現了熱場在液體操控中的早期應用價值。對于聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）等經典熱響應材料，其熱調控基于低臨界溶解溫度（LCST）形成的兩種切換狀態。這種簡單的方法能夠實現快速的潤濕性切換，無需精確的溫度控制即可方便地進行液體操控。然而，這種二元響應本質上限制了功能的多樣性，需要通過策略性的開發來推進熱調控液體操控平臺的發展。
近期的研究已將熱場與表面結構相結合，以豐富液體操控手段。盡管取得了巨大進展，但人們對熱場與結構特征之間的耦合機制仍缺乏全面的理解。此外，在功能表面上完成復雜的液體操控需要局部可控的熱場。因此，這些挑戰需要一種可編程的熱調控微流控平臺，并具備穩健的機制，以實現多功能的液體操控。
據麥姆斯咨詢介紹，香港大學的研究人員開發了一種可編程開放式微流控平臺，該平臺基于PNIPAM接枝的異質結構表面，具備全局和局部熱調控功能。此平臺利用結構誘導的不對稱界面力，通過全局/局部溫度介導的潤濕性控制來實現液體的選擇性定向傳輸。相關研究成果已經以“Competition and Synergy in Programmable Open Microfluidics: Thermal Fields vs Structural Heterogeneities”為題發表于Nano Letters期刊，并被選為封面文章。
研究人員闡明了結構效應與局部熱場之間存在的一種既競爭又協同的機制：熱梯度主導液體行為，可按需逆轉液體傳輸方向，同時通過與結構效應相互作用來增強傳輸性能?；谶@些洞察，研究人員利用局部加熱單元展示了液體的時空操控，例如生成各種液體圖案以及精心設計的級聯化學反應，為可編程熱調控微流控技術建立了新范式。
PNIPAM接枝的異質結構表面的制備與表征。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。
在結構化表面的設計中，研究人員提出了一種曲率棘輪模型，該模型具有兩個特征：一個半徑（R）為200 μm的基底半圓，以及一個長度（L）為500 μm的傾斜結構，其傾斜角定義為??（0°< ?? <180°）。盡管類似的3D不對稱表面已展現出豐富的定向液體操控能力，但它們依賴于改變液體的表面張力。相比之下，研究人員證明即使在液體表面張力相同的情況下，熱調控潤濕性也能控制液體的行為。
結構化表面上的熱調控定向液體動力學。低溫下，傾斜結構（??≠90°）通過非對稱的Laplace壓力差實現定向輸運；而在高溫下，疏水表面則通過異質尖端結構逆轉液體的運動方向。
在沒有傾斜結構的情況下，疏水性會放大曲率效應，將雙向鋪展轉變為單向流動；在引入傾斜結構后，親水狀態有利于沿傾斜方向的Laplace壓力驅動傳輸，而疏水狀態則通過異質尖端結構逆轉液體傳輸方向。這些結果展示了全局熱刺激與結構特征之間的耦合如何選擇性地調控液體行為，為液體操控提供了一種自適應平臺。
除了全局熱調控外，局部熱梯度已被證明能有效操控液體。這種方法依靠熱梯度引起的潤濕性差異來實現液體的定向控制。然而，研究人員的研究結果揭示了結構效應與熱場之間存在復雜的相互作用。研究人員展示了這種內在的競爭與協同作用能夠催生創新的液體操控策略，從而優化并增強對液體的控制。
總體而言，熱梯度被設定為提供空間可調的液體屏障，從而能夠對由結構異質性預先確定的液體擴散路徑進行編程。這種熱梯度從傳統的定向控制組件向可編程屏障的范式轉變，為通過結構-熱場耦合操控液體開辟了新途徑。按照這一邏輯延伸，研究人員利用表面下方局部控制的加熱單元（5 x 5 mm2），能夠實現可編程的液體操控。這些電控微型加熱器能提供精確的局部激活和動態熱切換，從而通過時空調節的熱場支持液體操控。
結構效應與熱梯度之間的競爭與協同機制
從另一個角度來看，熱梯度與結構效應的結合可能會增強液體的定向控制。在此，研究人員研究了一個典型的液體逆勢傳輸案例，即液體運動與重力方向相反的情況，以展示結構效應與熱場之間的協同作用機制。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。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）。
局部控制可編程開放式微流控平臺的功能演示
通過對加熱單元進行編程，研究人員在雙環表面上展示了不同的液體圖案。實驗結果表明，對加熱單元的時空控制可以增強液體的可編程性。熱場作為主要的編程機制，而表面結構僅定義被動路徑，這與研究人員之前的研究結果一致，即熱梯度在決定液體行為方面主導結構效應。
總結而言，該研究提出了一種可編程微流控平臺，包含PNIPAM接枝的結構化表面以及可全局/局部控制的熱場。研究人員揭示了結構效應與熱場之間的競爭和協同機制，這種機制能夠實現可編程的液體圖案，以及化學反應的時空控制，為按需進行生化分析和合成提供了一種策略。
不過，當前的平臺仍存在一定的局限性：（1）PNIPAM的熱響應性在水溶液中已被證明，但對于有機溶劑可能不適用，因為它們可能會破壞水合-脫水轉變；（2）開放式表面設計便于靈活操作，但易受蒸發和污染的影響，這可以通過優化操作溫度范圍以及整合半封閉/全封閉微通道來解決。
未來的進一步研究可能整合光熱納米材料以增強液體操控，或者擴展到多功能熱微反應器，從而推動融合智能材料、能量轉換和生物分析的微流控技術的跨越式發展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02353
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