【材料】光电刺激的液晶聚合物表面三维方向的液体传输

受益于自然界中不计其数的固体表面液体操控的现象，科学家们正在广泛地研究仿生界面上的液体传输。其中，于聚合物表面上输送液体备受关注。这些人工合成的涂层表面具有特别定制的表面化学成分以及独特的表面微结构使其被赋予了操控液体的能力，相应的作用机理、可用材料以及制作工艺也已被深入地研究。在不同领域的应用，包括但不限于自清洁表面、液体收集、无损液滴输送、货物释放以及防污，也均已被重点报道。在固体表面传输液体一直以来都备受关注，但大多数的研究仅限于一维或二维的液体传输，然而三维方向的液体传输几乎未被挖掘探索。

近日， 荷兰埃因霍温理工大学 的 刘丹青 助理教授与 詹媛媛 博后合作，设计并研发了一种 通过光和电控制的液体在基于液晶材料的聚合物薄膜表面的传输、分泌以及采集 。当依次施加光和电刺激时，在紫外光的刺激下，最初被储存于薄膜中的液体在偶氮苯分子异构化压缩聚合物网络的作用下沿着薄膜厚度的方向被分泌释放到膜表面；当施加射频电刺激，已被释放到膜表面并均匀分布的液滴在介电液体传输的作用下发生面内迁移并聚集于相邻两电极的中间区域，实现液体在定点位置的收集。通过使用自家的视频分析算法，薄膜表面液体的分泌、传输以及收集的轨迹可被实时并精准地追踪，表面液滴的位置（电极上以及相邻两电极中间）以及数量也可被精确地计算出来。

图1. 液晶聚合物薄膜的三维液体传输：沿厚度方向的分泌、面内的迁移以及收集。（A-B）液体传输的示意图以及掺杂了荧光分子的显微镜图片；（C-D）不同图案的叉指电极上薄膜表面液体传输的三维全息图片。

有趣的是，当同时施加光和电刺激时，液体输送显示出紫外光门控效应，也就是在单一的电刺激下，最初储存于薄膜中的液体不会被分泌至膜表面，只有在（微弱）紫外光的同时刺激下，液体才会被分泌。紫外光刺激的施加不仅会降低液体分泌的阈值电压，还会降低其阈值频率，原因为光热效应以及偶氮苯分子异构化所升高的温度增大了聚集于膜表面下的液体的压强。未来的工作会聚焦在使用能够产生预设的电场分布的电子驱动设备对液体进行精准以及定点位置的传输以及收集。希望该三维方向液体传输的工作可以被用于药物释放、软机器人系统以及细胞培养等领域。

图2. 紫外光门控液体分泌效应。（A）不同紫外光强度下液体分泌的阈值电压以及阈值频率的变化；（B）紫外光以及电刺激下聚合物薄膜的温度随时间的变化。

这一成果近期发表在 Angewandte Chemie International Edition 上，文章第一作者和通讯作者分别是荷兰埃因霍温理工大学博士后 詹媛媛 和助理教授 刘丹青 。