多平衡态调控：图案化液体表面（PaLS）实现液滴润湿性精准调控新策略

针对固体表面图案化存在的接触线钉扎和固体摩擦等根本性局限，研究人员开发了图案化液体表面（PaLS）新策略，通过两种不混溶润滑剂的微区图案化组合，实现了液滴10种润湿状态的精准调控，突破了Cassie-Baxter定律的限制，为微流控和表面工程提供了全新解决方案。

　　

在微流控、热传导和印刷等领域，精准控制液滴与固体基底的相互作用至关重要。传统的固体表面图案化策略虽然能够调控液滴形态和运动，但固体表面粗糙度带来的接触线钉扎和强摩擦阻力等根本性限制始终难以突破。这就像试图在砂纸上精确操控水滴——表面的微小凹凸总会产生意想不到的阻力。自然界的启示也有限，虽然纳米布沙漠甲虫利用亲疏水区域进行集水， Araucaria树叶通过不对称结构实现单向液体运动，但这些基于固体的解决方案仍无法完全摆脱表面粗糙度的桎梏。

润滑剂注入多孔表面（SLIPS）或润滑剂浸渍表面（LIS）的出现带来了转机，它们通过减少液滴与固体的直接接触，显著降低了接触线钉扎并增强了液滴流动性。然而，这类表面在润湿性调控范围上存在局限，且仍可能因液滴与固体接触而产生钉扎效应。能否结合图案化控制的优势和液体表面的超光滑特性，创造出一种全新的表面工程解决方案？这正是研究人员在《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）上发表的最新研究要回答的问题。

研究团队开发了一套创新的实验策略和理论设计原则，通过将两种不混溶的液体润滑剂以预设几何图案涂覆在固体基底上，创建了图案化液体表面（PaLS）。这种表面既保留了图案化控制的优势，又具备了润滑剂注入表面的超光滑特性。为了深入研究PaLS上的润湿现象，团队采用了多种关键技术方法：通过光刻技术制备微米级图案化模板，利用化学气相沉积（CVD）进行表面氟硅烷化处理，采用顺序 dip-coating 技术实现两种润滑剂的精准区域化涂覆，并借助荧光显微镜进行界面可视化观察。更重要的是，团队建立了基于相场模型的四相流体数值模拟方法，通过自由能最小化（使用L-BFGS算法）来预测和验证各种润湿状态的稳定性。

制备与可视化PaLS

研究人员开发了可靠的PaLS制备方法，在玻璃基底上先涂覆二氧化硅纳米粒子层，再通过光刻和氟硅烷化处理创建化学图案，最后通过顺序 dip-coating 涂覆两种不混溶润滑剂。该方法可实现高达5μm的高分辨率图案，并成功制备了由Krytox（氟碳油）与橄榄油或硅油交替组成的条纹图案表面。

液滴润湿状态

理论研究发现了10种不同的润湿状态，分为未覆盖状态（a-e）和覆盖状态（f-j）。通过定义铺展系数S_ijk = γ_jk - (γ_ij + γ_ik)，研究人员建立了预测不同润湿状态的理论框架。相场模拟成功重现了所有10种状态，揭示了润滑剂润湿脊的存在及其对液滴形状的影响。

表观接触角

实验测量和模拟结果显示，表观接触角θ_app随表面分数f的变化规律不符合经典的Cassie-Baxter定律，而是需要基于四相系统构型的新表面平均定律。针对每种润湿状态，研究人员推导出了相应的θ_app预测公式，如状态（j）的cosθ_app = [γ_o2 - γ_d1 + (1-2f)γ₁₂] / (γ_d1 + γ₁₂ + γ_o2)。

理论与实验验证

通过水、硅油、橄榄油、Krytox和空气的不同组合，研究人员测试了5种润湿状态。190个液滴构型的测量结果与理论预测高度一致，证明了表面平均定律的普适性。即使在f→0和f→1的极限情况下，两种润滑剂都会影响液滴构型，这与传统固体图案化表面有本质区别。

控制铺展与去润湿

研究还展示了PaLS在控制液体完全铺展或完全去润湿方面的独特能力。通过合适的润滑剂组合，可以阻止原本会完全铺展的液体形成薄膜，或迫使原本会去润湿的液体附着在表面上，这扩展了PaLS的应用范围。

这项研究通过创新的图案化液体表面设计，突破了传统固体表面图案化的 fundamental limitations，为表面润湿性控制提供了全新的解决方案。PaLS不仅消除了接触线钉扎问题，还通过多相流体相互作用实现了前所未有的10种润湿状态调控能力。推导出的表面平均定律成功解释了实验现象，弥补了Cassie-Baxter定律的不足。该技术在微机电系统（MEMS）、液滴微流控、喷墨打印等领域具有广阔应用前景，特别是作为底漆层（primer layer）提升当前湿碰湿印刷技术的分辨率质量。研究展示的精准润湿性控制能力，为下一代表面工程设计奠定了理论基础和技术支撑。