抽刀断水的刀是什么样的刀？
网易号|科学大院作者:李会增 宋延林抽刀断水水更流 ， 举杯消愁愁更愁 。
（图片来源：veer图库）自古以来 ， 把水斩断往往比借酒消愁更加困难 。 即使锋利的刀剑 ， 面对涓涓细流也显得无可奈何 。不过 ， 如果有一把无形的“刀” ， 情况就完全不同了 。这把“无形刀”就是物体表面的特殊粘附力图案 。近日 ， 中科院化学所宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰研究团队合作 ， 在固体表面设计粘附力图案 ， 当下落的液滴碰撞到该固体表面后 ， 液滴能够在毫秒时间尺度内完成自发切割 ， 成为数目可控的多个小液滴 ， 并可在预设的位置进行沉积 。 该项研究利用只有分子层厚度的“无形刀”实现了液滴的快速可控切割 ， 并提出了液滴切割的定量化判据 ， 在功能器件制备、组合化学及快速检测等领域具有应用前景 。 研究成果近日发表于《Angewandte Chemie International Edition》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10535- 10539） ， 被期刊选为Hot paper 。
无形的“液刀”切割液滴过程及文章封面亮点报道微液滴的可控制备及在固体表面的沉积对于高通量筛选、功能材料图案化以及复杂样品分析检测等过程非常重要 。 由于液体的流动性和可变形性 ， 以及分子间存在的范德华力、氢键等相互作用 ， 均匀微液滴的制备往往需要借助复杂的设备 ， 例如喷墨打印机、微流控设备等 。 使用滴管、移液枪等常见工具制备体积相等、分布均匀的微液滴阵列 ， 一直是一个难题 。研究人员在低粘附的固体表面设计制备了高粘附的图案 。 由于该制备通过选择性分子修饰过程实现 ， 因此整个表面的物理形貌相同 ， 仅存在化学分子层的差异 。
固体表面“液刀”的形貌表征和分子结构示意图借助高速成像系统 ， 研究人员发现 ， 当液滴以一定下落速度碰撞到该固体表面后 ， 其首先铺展成为近似圆形的液膜 ， 并在2毫秒左右的时间内达到最大程度的铺展 。 随后 ， 不同位置的液膜发生不对称的回缩 ， 并在数毫秒时间内将液滴切割形成多个微液滴 。 通过对粘附力图案进行设计 ， 可以将一个液滴切割成为不同数目且体积均匀的微液滴 。 并且 ， 切割形成的微液滴能够在预设的区域进行沉积 ， 形成微液滴阵列图案 。
切割各种功能材料液滴形成的微液滴图案研究人员对该过程进行了建模和分析 ， 发现控制液滴在固体表面行为的因素为固液之间的粘附力 。 通过对表面粘附力的调控 ， 能够诱导铺展液膜产生各向异性的回缩行为 。 基于对该过程的分析 ， 研究人员提出了液滴切割过程的定量化控制规律 。
液滴切割过程建模分析为了研究无形“刀”切割液滴过程中的流体动力学过程 ， 研究人员将氯化铁溶液作为待切割液滴 ， 并在左侧的高粘附区域预先沉积硫氰化铵 。 硫氰化铵能够和氯化铁发生反应 ， 产生红色络合物 。 对该过程进行观测 ， 可以看出在液滴接触图案化基底的瞬间（1毫秒） ， 处于左侧高粘附区域的液体内部已经出现红色络合物 。 随着液滴铺展以及后续切割的进行 ， 红色络合物一直被限域在低粘附“刀刃”的左侧 ， 不同微液滴间未发生物质交换 。基于此原理 ， 研究人员在基底表面的四个高粘附区域预先沉积四种化学物质 ， 当液滴滴加到该表面并通过自切割形成四个微液滴后 ， 能够分别与四种物质发生相互独立的反应 ， 并且能够对不同反应进行实时观测和对比 。 进一步 ， 研究人员制备了具有四个检测区域及一个参比区域的污水检测芯片 。 当一滴污水滴加到该表面后 ， 能够同时对污水中的多种金属离子及酸碱性等进行快速鉴定 ， 为未来的便携式检测设备研发、组合化学等方面提供了新的思路 。本项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划和博士后基金资助 。注：本文图片与视频除注明来源者之外 ， 均为作者提供作者单位：中国科学院化学研究所文章首发于科学大院 ， 转载请联系cas@cnic.cn科学大院是中科院官方科普微平台 ， 由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营 ， 致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声 。
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