《Science Advances》：实现按需控制液滴的流动性和化学成分！

控制微升级液滴的流动性和化学成分的能力，是下一代开放表面微流体的必要先决条件。然而，在不改变液滴流动性的情况下，独立地控制液滴的化学成分仍然具有挑战性。

在此，来自美国俄亥俄立大学的王晓光等研究者，通过设计一类基于热致液晶(LCs)的开放表面微流控平台解决了上述挑战。相关论文以题为“Liquid crystal–based open surface microfluidics manipulate liquid mobility and chemical composition on demand”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi7607

开放表面微流体的设计，使液体流动性和化学成分的正交控制是设计下一代微流体平台的关键，这些平台将在化学、环境和生物医学领域得到应用。为了实现这些理想的功能，大量的研究已经证明了基于微/纳米尺度地形表面或水不混溶涂液表面的开放流体平台上的刺激响应液体流动性。然而，控制液滴化学成分的方法往往依赖于直接从下表面的化学吸附，这随后将液滴固定在表面并使其固定，如图1A所示。液滴的化学成分和流动性的内在耦合，极大地削弱了传统开放表面微流控系统的坚固性，阻碍了其在实际应用中的应用，为实现开放表面微流控的全部潜力提出了一个必须克服的重大挑战。

图1 开放表面微流控系统中液体流动性和化学成分的操纵。

热致液晶(LCs)，是一类非常有前途的各向异性流体，其产生的胶体和界面现象具有前所未有的复杂性和功能的显著多样性。由于其固有的特性，包括在不同中间相中的位置顺序和取向顺序，固定化LCs已被开发用于各种应用，包括传感化学品和激活货物释放。这些内在特性，可能使基于LC的开放表面微流体的设计成为可能，可以根据需要控制静止液滴的流动性和化学成分，如图1B所示。虽然基于LC的开放表面微流控的设计前景广阔，但由于在传统疏水改性基底(包括硅烷功能化表面、氮内酯功能化表面和多孔聚苯乙烯涂层表面)上涂覆的LC膜存在水滴诱导的去湿现象，目前尚未实现。

在此，研究者报告了一种基于LC的开放式表面微流控平台的设计，该平台可以根据需要操纵液滴的流动性和化学成分。具体来说，研究者使用多孔LC聚合物网络来稳定热致LC介晶，以克服上述水致LC去湿的问题。研究发现，液滴在LC表面上的迁移率只取决于LC的位置顺序：在近晶A相中，液滴在LC表面上被高度钉住，而在向列相和各向同性相中，液滴在LC表面上可以自由滑动而不被钉住。此外，研究者从实验和理论上证明了，LC表面的介晶取向有序对化学物质从LC表面释放到液滴起着关键作用。最后，研究者证明了，由于液滴的流动性和LC中货物的释放之间固有的解耦，基于LC的开放表面微流控平台可以在不妨碍液滴流动性的情况下，捕获并沉淀液滴中的重金属离子。该工作为制备各向异性液体基开放表面微流体提供了新颖的设计原则，使其具有广阔的应用前景，包括液滴基化学合成和医疗诊断等。

图2 基于LC的开表面微流体。

图3 LC位置顺序与LC表面水滴静摩擦的关系。

图4 LC定向顺序依赖的货物在LC表面释放。

图5 使用LC表面去除重金属离子与解耦的液体流动性和货物释放。

综上所述，该结果表明，LC表面的功能可以被解耦，这是LC本质上提供的独特的分子顺序的结果。LC的位置顺序决定了作用于LC表面液滴的静摩擦力。此外，研究者还通过实验和理论研究表明，LC表面向液滴释放的货物受到介晶取向顺序和液滴湿润脊的强烈影响。更广泛地说，这些结果暗示了LC表面的新设计，将扩大传统各向同性材料为基础的开放表面微流体的潜在用途，进入智能表面反应器和水处理领域中。

未来的工作，将寻求探索液滴流动性和激活释放在其他LC中间相的表面，包括胆甾相和蓝相。最后，在对各向同性表面上的多液滴动力学研究的基础上，研究者预测在LC表面嵌入的固有分子顺序，将为控制多液滴运动和相互作用提供新的途径。 （文： 水生 ）

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