综述：功能性表面上定向水滴操控技术：被动梯度驱动与主动场控制策略的综述

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Directional water droplet manipulation on functional surfaces: A critical review of passive gradient-driven and active field-controlled strategies

　　摘要
水滴的方向操控是表面科学、仿生工程和微流体领域的核心研究课题。它在核电蒸汽收集、海水淡化和生物医学系统等领域具有广泛的应用前景。传统的液滴操控策略通常分为被动梯度驱动传输和主动场控制操控两类。然而，这种二元分类掩盖了一个事实，即这两种策略都受到驱动力与阻力之间根本性竞争的影响，这使得难以建立起对它们操作行为、性能极限和应用范围的统一理解。在本综述中，被动和主动液滴操控策略在一个统一的驱动-阻力比（DRR）框架内得到了系统的重新诠释。基于这一框架，液滴操控空间被划分为四个代表性区域：自主传输、精确可控运动、滞后的固定作用以及动态耗散驱动。代表性的被动和主动策略在传输效率、可控性、驱动力需求和应用适应性方面进行了关键比较。为了改进跨平台评估，进一步引入了半定量指标，包括传输效率系数（EVF）和操作灵活性因子（ROF）。最后，讨论了关键的科学挑战和未来发展方向，包括被动-主动混合界面、耐污表面、标准化性能评估以及智能闭环液滴操控系统。

引言
水滴的方向操控已成为表面科学、仿生工程和功能界面材料等多学科领域的关键研究焦点。通过调节液滴与固体基底之间的界面相互作用，可以实现对液滴行为（包括聚合、分裂和反弹）的精确控制，并引导液滴沿着预先设计的轨迹运动。这种可控的液体行为在雾气收集、水资源利用、海水淡化、油水分离、热管理、生化分析及微反应器系统等多个场景中展现出巨大的应用价值[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，该领域长期存在一个根本性矛盾：利用梯度力实现被动、自发液滴驱动的策略在实时可控性方面存在缺陷；而通过外部场实现主动、精确液滴控制的策略则需要持续的能量输入。根据该领域的发展历程（图1），液滴方向操控的演变可以分为三个代表性阶段：（I）基本润湿理论的形成；（II）基于自然启发和梯度界的被动传输；（III）通过外部场的主动控制。理论基础建立在杨氏接触角方程之上，Wenzel和Cassie-Baxter将其扩展到粗糙和复合表面，并通过自清洁荷叶、纳米比亚沙漠甲虫和多机制仙人掌刺等生物实例得到生物学验证。梯度驱动的被动策略从化学润湿梯度发展到锥形导线上的曲率诱导拉普拉斯压力，再到激光结构粗糙度梯度。随后引入的主动场控制方法带来了被动表面所不具备的精度和可编程性，包括电场、磁场和光热驱动。尽管取得了这些进展，但仍存在一个持续且重要的差距：目前尚缺乏一个统一的定量框架来比较这三个阶段的策略，评估它们的基本权衡，或为特定应用合理选择方法。无论驱动机制是结构性的、化学性的还是场诱导的，所有液滴操控的核心物理变量都是净驱动力（????）与净阻力（????）之间的竞争。在真实表面上，????主要源于接触角滞后（CAH），这种滞后由化学异质性、表面地形缺陷和三相接触线的不可逆固定引起[22]、[23]。CAH不是对平衡润湿理论的次要修正，而是任何操控策略必须克服的主要障碍，其相对于????的 magnitude 决定了整个系统的操作特性。因此，我们引入了无量纲力比参数：??????=????/????。利用参数??????，整个液滴操作空间被划分为四个不同的运作区域。

区域一：自主传输区（?????? ?1）。在这种模式下，????远远超过????，使得液滴能够在无需外部能量输入的情况下实现自主推进。核心策略在于最大化????并最小化????，这一点在自然生物的进化过程中得到了完美体现。例如，蜘蛛丝的纺锤结构利用拉普拉斯压力差产生方向性并实现高效的水收集[24]；麦芒协同利用压力梯度和可变毛细效应驱动液滴[25]。相比之下，茅膏菜通过周期性微腔和弧形边缘维持连续的水膜，通过降低????实现极低的摩擦[26]。受仙人掌[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、茅膏菜[33]、[34]、[35]、[36]、[37]以及麦芒[38]、[39]结构的启发，研究人员开发了基于化学、结构或粗糙度梯度的人工表面来调节????和????。然而，这些策略都有一个共同的固有局限性：运动路径的可控性不足。一旦表面形态确立且满足?????? ?1的条件，液滴的运动就难以在中途停止或反转。

区域二：精确可控运动区（?????? ≥1）。在该区域内，????略微超过????或被动态维持在其附近，使得液滴能够通过外部场被精确操控。与区域一不同，?????? ?1导致的是自主但可控性较差的传输，而区域二则接近运动阈值，????、????或两者的微小变化都可能决定液滴是移动、停止、合并还是沿预定路径运动。这一区域是主动场控制技术的核心，可以实现液滴定位、合并、分离和路径控制。早在1993年，Zhang等人[40]就展示了在超疏水表面上通过克服CAH引起的阻力实现电控的可行性。Xu等人[41]进一步表明，通过在分岔的微流控通道中调节作用在磁微机器人上的Kelvin力，可以实现多液滴协同操控。此外，Li等人[42]开发了一种光敏润滑表面，其中激光诱导的热毛细力起调节作用，同时润滑层减少摩擦。这种“低???? + 可调????”设计为低能耗和高精度的液滴操控提供了有效途径。

区域三：滞后约束固定区（?????? <1）。由于????大于????，液滴被固定并停止运动。在梯度驱动系统中，当??????从 ?1 范围内偏离到 <1 范围内时，液滴会在中途停滞。传输距离基本上受到梯度空间范围和强度的限制，且液滴无法在没有外部干预的情况下重新启动[43]。在湿度梯度表面上，这种固定效应受到液滴体积、表面污染和环境湿度的显著影响，这解释了文献中报告的传输距离存在很大差异的原因[44]。在主动系统中，固定作用也可以被有目的地用于按需停止液滴。电场、磁场和声场可以创建局部低????或高????区域，使??????小于1，从而使液滴在目标位置停止。这种能力对于数字微流体、样品孵化和电化学检测以及顺序添加试剂非常重要[45]。同样，嵌入在超疏水背景中的超亲水微结构可以被动捕获特定感知区域的液滴并通过蒸发富集分析物[46]。

区域四：动态耗散区（?????? ≈1，振荡）。当振荡能量输入使系统处于????和????大致平衡的临界状态时，液滴保持相对稳定的宏观位置，同时产生强烈的内部流场循环。在表面声波（SAW）配置中，行波产生的瑞利波在泄漏角处与液滴耦合，有效地将声能转化为内部涡流；而在驻波（SSAW）配置中，两个相反波形成的压力节点将液滴锁定在特定空间并同时驱动声流混合[47]。在 ?????? ≈1 的条件下，这种空间固定和快速内部混合的结合可以将混合时间从扩散限制的几分钟缩短到几秒钟，适用于数字聚合酶链反应（PCR）、液滴环介导的等温扩增（LAMP）和封闭液滴反应器中的颗粒富集[48]。Huan等人[49]进一步通过采用机器视觉辅助的声学镊子发展了上述操控模式，其中实时监测液滴的位置和形态，并动态调节声功率以维持液滴在动态平衡状态附近的受控操作。

现有的液滴方向操控方法通常分为两大范式：被动传输和主动场控制策略（图2）。被动传输主要依赖于预先设计的结构、化学或粗糙度梯度，在?????? ?1 的自主传输区域通常效果最佳。相比之下，主动场控制主要用于实现精确的液滴控制、按需定位、动态引导和混合。为了实现这些功能，通常需要实时动态调节????、????或两者，使液滴能够在不同状态之间切换，包括运动、停止、转向、合并和振荡。因此，主动场控制通常与区域二、区域三和区域四相关联。在本综述中，传统的被动和主动液滴操控策略在一个统一的??????框架内进行了系统分析。我们不是将被动传输和主动控制视为独立的类别，而是基于固-液界面处????与????之间的竞争建立了它们之间的内在关系。代表性的被动和主动策略在传输效率、可控性、驱动力需求和应用适应性方面进行了关键比较。此外，引入了半定量指标（如?????? 和 ??????）以促进液滴操控性能的跨平台比较。最后，讨论了当前的科学瓶颈和未来朝着可编程、智能和面向应用的液滴系统发展的方向。

润湿理论
液滴在固体表面的方向操控基于经典润湿理论。通过描述表面张力与接触角之间的关系，它为理解界面相互作用提供了理论支持。

以DRR为导向的被动和主动液滴操控解释
微/纳米结构的制造为液滴的方向操控提供了结构基础，这些方法大致可以分为五类：激光加工[109]、[110]、[111]、光刻和蚀刻[112]、[113]、模板辅助复制[114]、化学/电化学加工[115]以及自组装/涂层[116]、[117]、[118]。激光加工，特别是飞秒激光直写技术，可以实现无需掩模的空间选择性操控。

面向集成系统：应用驱动的选择和混合设计
基于??????框架，方向液滴操控可以与六个代表性应用联系起来，如图12所示。主要由预先设计的表面梯度或仿生结构主导的系统特别适合雾气收集[167]、海水淡化[168]和油水分离[169]，这些应用需要低能量输入、简单结构和大面积可扩展性。相比之下，通过外部控制动态调节????、????的系统...

结论与展望
本综述总结了方向液滴操控的近期进展和代表性成果，重点关注两种主要策略：被动传输和主动控制。在统一的??????框架下，液滴的运动受????与????之间竞争的支配。被动传输主要依赖于预先设计的粗糙度梯度、化学梯度、结构梯度以及仿生架构来生成????并降低????，从而在 ?????? ?1 的条件下实现自发运动。

作者贡献声明
杨一龙：撰写——原始草案，研究。王锡奎：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草案，监督，方法论，资金获取，概念化。王江欣：撰写——原始草案。王立秋：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
我们感谢国家自然科学基金（编号52205304）、贵州省教育厅青年科技拔尖人才项目（编号[2024]316）、贵州省基础研究计划重点项目（编号ZD [2026]036）以及香港研究资助委员会（GRF 15309825、17213823和17205421）的支持。

作者信息
杨一龙 | 王锡奎 | 王江欣 | 王立秋
贵州大学机械工程学院，贵州贵阳，550025，中国