自然界中，許多生物都能夠運輸或收集液滴。在過去的幾十年里，人類從大自然中獲取靈感，制備出許多能夠實現液滴輸運、收集、分離等操控的功能表面。從最初主要利用材料的潤濕性實現對液滴的“被動”操控，到設計功能表面通過響應外界激勵對液滴進行“主動”操控，潤濕性可響應的液滴操控技術不斷發展。其中，光響應液滴操控功能表面以光作為激勵場，通過光熱、光電等效應實現了對液滴的豐富操控。相比于電激勵型液滴操控表面復雜的電路設計與制備流程，大多數光響應型液滴操控功能表面僅通過摻雜吸光顆粒及表面處理即可獲得，極大地降低了制備和維護成本；相比于磁響應表面，光響應型功能表面主要利用光點進行指向，操作靈活且精度高，抗磁場干擾能力強。因此，光響應液滴操控功能表面的開發與應用成為了智能潤濕表面研究領域的重要課題。

近期，西北大學及浙江大學研究人員在《光電工程》期刊上發表了題為“光響應液滴操控功能表面研究及應用進展”的綜述文章。該綜述簡要回顧了光響應液滴操控功能表面的發展歷程，重點介紹了其操控液滴的基本原理，分析并總結了當前該功能表面的類型、結構特點以及相應的制備技術。此外，介紹了光響應液滴操控功能表面在液滴輸運、融合、分割、“液滴機器人”、微流控芯片等領域的應用。最后，結合光響應液滴操控功能表面的操控特點對其發展趨勢和未來潛在應用進行了展望。

光響應液滴操控技術的發展歷程

隨著近年來光操控液滴技術的迅速發展，人們利用光熱效應引發材料表面張力變化、形變、相變或通過光電效應實現主動調控，克服了早期光響應液滴操控功能表面存在的響應時間長、移動速度慢等問題，實現了具有快速響應的光響應液滴操控表面。圖1展示了近20年來光響應液滴操控的突出成就和進展。 ?



圖1 光響應液滴操控功能表面發展概況 ?

光響應液滴操控原理

（1）光熱效應 ? 以光熱效應為原理的光響應液滴操控功能表面主要利用潤濕梯度力、功能表面材料或液滴的相變、機械形變來實現液滴的運輸、分裂、融合捕獲等操作。 ?

圖2 基于光熱效應實現的光響應液滴操控：（a）潤濕梯度力操控液滴輸運原理；（b）“空腔輔助”超疏水表面光熱液滴彈跳；（c）光熱形狀記憶液滴操控功能表面潤濕性切換機理

（2）光電效應 ? 以光電效應為原理的光響應液滴操控功能表面主要利用光激勵功能表面的不均勻電荷分布產生介電泳力或者通過在電介質上施加外部電場使液滴潤濕性質產生轉變（光電潤濕效應）來實現液滴操控。 ?

圖3 基于光電效應實現的光響應液滴操控：（a）光熱釋電功能表面液滴操控原理；（b）光熱釋電效應調制材料電潤濕性

光響應液滴操控功能表面實現方法

（1）光-熱型 ? 圖4為典型光-熱型液滴操控表面構造及液滴操控示意。該類液滴操控表面包括：潤滑劑浸注型以及記憶型材料光響應液滴操控功能表面。如圖4a、4b所示，潤滑劑浸注型通常由光熱層與潤滑層構成。光熱層具有微納結構，其主要作用是產生毛細作用、范德華力等來鎖住潤滑劑（硅油、石蠟等）。近紅外光照射后光熱層產生的熱效應會造成潤滑層的張力或者粘滯力下降，因而液滴會在潤濕梯度力或重力的驅動下發生移動。如圖4（c）所示，記憶型光熱響應液滴操控表面通常僅由單個光熱層構成。光熱層表面具有微結構，能夠使光熱層在未形變的狀態下呈現為超疏水且低粘滯力狀態，兼具記憶型材料特點。該綜述詳細介紹了光熱層基材制備、液滴操控功能表面微納結構加工和潤滑層作用原理。 ?



圖4 光-熱型液滴操控表面構造以及液滴操控示意：（a）硅油浸注型；（b）石蠟浸注型；（c）記憶型 ? （2）光-電型 ? 基于介電泳力、電潤濕及光電導效應實現液滴操控的可稱為光-電型液滴操控功能表面。圖5為典型的光-電型液滴操控功能表面結構及液滴操控示意。該綜述具體敘述了各類光-電型液滴操控表面的結構和液滴驅動原理，以及超疏層和光電導電極加工方法。 ?



圖5 光-電型液滴操控表面的構造以及液滴操控示意：（a）光-熱釋電介電泳力型；（b）光伏效應介電泳力型；（c）光-熱釋電潤濕型；（d）光電導-電潤濕型

光響應液滴操控功能表面的應用

基于光響應液滴操控功能表面已可以實現液滴輸運、融合與分割、抓取與釋放等多樣化的液滴操控功能。該綜述展示了該類功能表面在“液滴機器人”、微流控芯片、生物、化學分析、水下氣泡操縱領域的應用進展。其中，基于光響應液滴操控的“液滴機器人”對于未來微型光電系統、柔性機器人、藥物投遞有著重要的參考價值；而光響應液滴操控功能表面與微流控芯片技術的深化融合將為在生物、化學分析領域開發智能化、高通量的細胞培養、藥物篩選、化學合成、分子檢測芯片等提供思路；除此之外，能實現水下液滴、氣泡操控的光響應功能表面，在微粒、微機械乃至細胞操控等方面具有極大的應用價值。

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圖6 “液滴機器人”挪移物體，穿越通道以及清潔污漬

目前，對于光響應液滴操控功能表面的研究主要集中體現在：發展新型操控原理、開發新型功能材料、提升功能表面性能、擴展液滴操控應用等方面。繼續探索新型液滴操控原理、發展新型光響應材料、降低激光光熱損傷、實現液滴多模態群體以及相分離精準操控等仍是光操控液滴研究領域的未來研究方向；此外，深化光響應液滴操控表面在微觀柔性機器人、精細化工合成控制、生物醫學檢測與分析等方面的應用，開發緊湊、高兼容、多功能的光響應液滴操控平臺與系統也將是研究人員重點探究的問題。??






審核編輯：劉清