微流控系統(tǒng)是一種基于微流體技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于控制和操縱微小液滴、細(xì)胞、微粒等微尺度物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)，具有高通量、小樣本用量、高靈敏度、低成本和易集成等優(yōu)勢(shì)，在化學(xué)、生物、環(huán)境等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

然而，傳統(tǒng)的微流控系統(tǒng)存在若干問(wèn)題，如系統(tǒng)繁雜、操作復(fù)雜、功能單一等，這極大地限制了微流控器件的普及。近年來(lái)，基于液晶體系的微流控系統(tǒng)引起了科研人員的關(guān)注，在微流控領(lǐng)域具有巨大的潛力。液晶是除了氣體、液體和固體之外的第四態(tài)物質(zhì)，兼具晶體的有序性和液體的流動(dòng)性。基于液晶對(duì)外界刺激具有敏感的響應(yīng)特性，我們可以通過(guò)施加外界的電場(chǎng)、熱場(chǎng)、光場(chǎng)、磁場(chǎng)和化學(xué)環(huán)境等因素來(lái)調(diào)控其光電性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體的精確操控。而且，液晶材料的可逆動(dòng)態(tài)調(diào)控也使得液晶微流控系統(tǒng)可以被多次重復(fù)利用，大大提高了器件成本效益。此外，液晶材料具有良好的透明性，滿(mǎn)足了對(duì)受控液體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，有利于觀察或分析微流體內(nèi)部的流動(dòng)行為以及檢測(cè)微小生物、顆粒或分子等。

然而，目前對(duì)基于液晶開(kāi)放表面微流控系統(tǒng)的研究還不夠充分，包括微流控元件的開(kāi)發(fā)、定向輸運(yùn)行為以及液滴、微粒等目標(biāo)探測(cè)物的操控規(guī)律和機(jī)制都需要進(jìn)一步深入研究。

圖1：《液晶與顯示》2023年第10期封面圖

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，南京大學(xué)陸延青教授、馬玲玲特聘研究員、魏陽(yáng)博士及研究生竇韻潔、王澤宇等人開(kāi)發(fā)出一種新型微流體操縱技術(shù)，該技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了液滴在液晶功能表面的各向異性輸運(yùn)。這為開(kāi)發(fā)基于圖案化液晶功能表面的特異性微流控技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。最近，該研究以“基于液晶功能表面的液滴輸運(yùn)研究”為題發(fā)表在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄，中文核心期刊）2023年第10期，并被選為當(dāng)期封面文章。

圖2：（a）向列相液晶聚合膜顯微織構(gòu)圖；（b）近晶相液晶聚合膜顯微織構(gòu)圖；（c）不同溫度下小分子液晶8CB的近晶相液晶聚合物膜顯微織構(gòu)圖；（d）近晶相聚合膜上水滴被小分子液晶8CB包裹過(guò)程。
圖源：液晶與顯示, 2023,38(10):1322-1329. Figs.1,2,4

研究人員通過(guò)優(yōu)化液晶聚合物薄膜合成工藝，成功制備了高質(zhì)量的向列相態(tài)聚合物薄膜和近晶相態(tài)聚合物薄膜（圖2(a)和2(b)）。通過(guò)注入8CB液晶分子形成注液光滑表面，制備了具有溫度調(diào)控性的液晶功能表面（圖2(c)）。為了研究水滴在液晶聚合膜上的運(yùn)輸特性，研究人員結(jié)合水滴的運(yùn)動(dòng)情況（圖2(d)），構(gòu)建了理論模型來(lái)探討重力、摩擦力、表面張力及表面附著力對(duì)水滴輸運(yùn)速度的影響，針對(duì)形成的四相系統(tǒng)（氣體、潤(rùn)滑液、探測(cè)液和固體）進(jìn)行了分析。

為了實(shí)現(xiàn)液滴在液晶功能表面的各向異性輸運(yùn)，并探究其操縱規(guī)律，研究人員通過(guò)調(diào)控聚合物薄膜和8CB分子的相態(tài)，研究了水滴的輸運(yùn)行為（圖3）。結(jié)果表明：

1. 向列相聚合膜可以在很小的傾角下實(shí)現(xiàn)水滴的流暢滑動(dòng)；

2. 與近晶相聚合膜相比，向列相聚合膜可以在相同條件下為水滴提供更快的輸運(yùn)速度；

3. 利用分子表面粗糙度變化，通過(guò)控制8CB小分子液晶處于近晶相和向列相，可分別起到固定和輸運(yùn)液滴的作用。

圖3：(a）水滴沿向列相聚合膜取向方向滑動(dòng)的始末位置，均速為1.9 mm/min；（b）水滴沿垂直于向列相聚合膜取向方向滑動(dòng)的始末位置，均速為1.0 mm/min。玻璃基板的傾斜角度約為1°。
圖源：液晶與顯示, 2023,38(10):1322-1329. Fig.3

更重要的是，研究人員利用8CB棒狀分子在不同取向方向上分子極性和表面能的不同實(shí)現(xiàn)了液滴在近晶相和向列相聚合膜上的各向異性輸運(yùn)。從化學(xué)角度看，8CB棒狀分子一端的強(qiáng)極性氰基對(duì)水分子有較大的吸引力，即液滴滑動(dòng)的阻力，因此液滴沿著平行取向的滑動(dòng)速度大于沿垂直取向的滑動(dòng)速度。從表面能角度看，垂直取向方向的液晶分子密度大于平行取向方向的液晶分子密度，導(dǎo)致水滴沿平行取向方向運(yùn)動(dòng)所需克服的表面能更低，因此滑動(dòng)更快。

基于上述研究?jī)?nèi)容，研究人員通過(guò)液晶聚合物薄膜材料的可控制備，開(kāi)發(fā)了取向序各向異性的功能聚合物薄膜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴各向異性輸運(yùn)行為的操控。可以預(yù)見(jiàn)，通過(guò)進(jìn)一步圖案化光控取向技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小液滴尺寸的精密控制，規(guī)劃液滴在液晶光滑表面的輸運(yùn)路徑，在未來(lái)具有廣闊的研究和應(yīng)用價(jià)值。

▍論文信息

竇韻潔，王澤宇，魏陽(yáng)，馬玲玲，陸延青. 基于液晶功能表面的液滴輸運(yùn)研究[J]. 液晶與顯示, 2023,38(10):1322-1329.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0211

▍通訊作者簡(jiǎn)介

魏陽(yáng)，博士，2023年于南京工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事各向異性光學(xué)功能材料性能及其應(yīng)用研究。
E-mail: yangwei20630@163.com

馬玲玲，博士，南京大學(xué)特聘研究員，2019年于南京大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事液晶光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用研究。
E-mail: malingling@nju.edu.cn

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