仿生多梯度楔形槽结构用于实现连续高速液滴传输

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Bioinspired Multi-Gradient Wedge Grooves for Continuous High-Speed Droplet Transport

液滴通过多梯度串联楔形沟槽（MG-SWSG）的几何和润湿性梯度协同作用实现高效、长距离传输，分子动力学模拟和自由能分析揭示了多梯度抑制连接处势垒的机理，理论模型建立了与温度、液滴尺寸、表面疏水性及沟槽角度相关的普适性抑制规律。

　　

邵倩豪|张谢|郑莉|刘俊杰|吴凤敏|寇建龙

内蒙古大学物理科学与技术学院，中国呼和浩特010021

摘要

控制液滴在结构化表面的传输对于微流控技术至关重要，然而由于结构连接处的能量障碍，液滴传输的连续性常常受到破坏。在这里，我们提出了一种多梯度串联楔形槽（MG-SWSG），它结合了几何形状和润湿性梯度，使得液滴能够持续运动，传输距离增加了六倍，速度提高了154%，相比传统的SWSG有显著提升。分子动力学模拟和自由能分析揭示了一种协同的多梯度机制，该机制重塑了能量景观并降低了连接处的障碍，确保了热力学上有利于液滴的运动。一个理论表面能模型进一步建立了障碍抑制与温度、液滴大小、表面疏水性及槽角度之间的通用比例关系，这与模拟结果一致。这些结果揭示了一种通用的多梯度机制，并为实现稳定的长距离液滴传输提供了指导原则。

引言

水在自然界中无处不在[1]，[2]，并且在从生物医学测试[4]、微流控设备[5]到水资源收集[6]等各种技术中发挥着重要作用。许多自然物种，包括仙人掌[7]、猪笼草[8]和沙漠甲虫[9]，进化出了独特的结构，使得水能够自发且定向地移动，为人工设计提供了宝贵的灵感[10]。

在过去几十年中，人们投入了大量努力，通过制造具有物理或化学梯度的表面（如图案化的润湿性或不对称几何形状）来模仿这些生物系统，以实现无泵驱动的液滴传输[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。一个经典的例子是嵌入在疏水基质中的楔形亲水通道，液滴由于拉普拉斯压力梯度而自发地向较宽的一侧移动[21]、[22]。然而，这种逐渐扩大的几何形状不可避免地导致横向扩散，从而造成质量损失、传输效率降低，以及随着表观接触角对比度的减小，拉普拉斯压力逐渐减弱[23]，限制了传输的速度和范围。我们之前的工作通过引入一种疏水楔形槽来解决部分问题，这种槽能够在Cassie状态下实现液滴的定向移动，从而减少了固液接触和界面阻力[24]。尽管有效，但传输长度仍然受到有限槽尺寸的限制。

为了扩展传输范围，引入了串联楔形通道（SWSC），其中一系列楔形单元首尾相连[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。虽然这种策略增加了可用的路径，但相邻单元之间的连接处往往引入了能量障碍，干扰了液滴的连续运动。为了减轻这些障碍，人们尝试优化连接几何形状、润湿性图案和表面拓扑结构，取得了一些进展。例如，冯等人[33]借鉴蜘蛛丝和蝴蝶翅膀的灵感，设计了一种具有拓扑和润湿性梯度的锥形表面，实现了雾滴的定向和连续传输，促进了高效的水资源收集。高等人[34]在相邻楔形单元之间设计了新月形槽，使液体能够通过将局部积累的势能转化为动能来克服连接处的障碍，从而促进传输。尽管取得了这些进展，但由于对界面能量障碍的表征不足以及对潜在穿越机制的理解有限，液滴在槽连接处的传输仍然不稳定。

在这里，我们提出了一种受生物启发的多梯度串联楔形槽（MG-SWSG），它结合了几何梯度和双重润湿性梯度，实现了连续的高速液滴传输。模拟和理论分析表明，多梯度机制降低了连接处的障碍，重塑了能量景观，有利于液滴的连续运动。

模型与方法

SWSG结构由多个具有均匀润湿性的楔形槽单元组成，其设计灵感来源于仙人掌刺的不对称槽几何形状和猪笼草唇瓣的周期性脊纹（图1a）。每个槽单元由堆叠的石墨烯片制成，开口角度为α=5°，高度为1.05纳米，长度为9.7纳米。MG-SWSG（图1c）在SWSG框架的基础上增加了两个润湿性梯度：一个是槽单元之间的梯度，通过……实现

结果与讨论

串联楔形槽（SWSG）的结构框架受到两种自然原型的启发：猪笼草唇瓣的周期性脊纹和仙人掌刺的不对称槽几何形状（图1a）。基于这种几何形状，我们进一步通过引入空间梯度润湿性的概念进行了设计优化，这一概念借鉴了沙漠甲虫背部的结构，从而引入了额外的驱动力。这导致了多梯度SWSG（MG-SWSG）的产生

结论

总之，我们证明了多梯度串联楔形槽（MG-SWSG）能够降低连接处的障碍并维持高速液滴传输。这一机制源于槽单元之间、楔形结构诱导的以及整体结构梯度的协同作用，它们从根本上重塑了能量景观，有利于液滴的连续运动。理论建模为障碍抑制提供了与温度、液滴大小、表面疏水性和槽角度相关的通用比例关系。

作者贡献声明

寇建龙：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，概念构思。郑莉：撰写 – 审稿与编辑，监督，形式分析，概念构思。吴凤敏：监督，形式分析，概念构思。刘俊杰：监督，资源提供，形式分析。张谢：软件开发，方法论设计，实验研究。邵倩豪：撰写初稿，方法论设计，实验研究，数据整理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：寇建龙表示获得了浙江师范大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号12172334、11774313、52204032）、四川省自然科学基金（项目编号2024NSFSC0978）和内蒙古自治区自然科学基金（项目编号2025QN01035）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有其他利益冲突。