“新竹出林時解籜，小荷翻露已成珠”出自宋代詩人陸游之筆，描述的正是自然界荷葉上滾動的水珠。那荷葉上的水珠為什麼沒有像玻璃上的水而散開呢？這兩種物理現象的不同就與表面潤溼性有關了，潤溼性指的是液體潤溼並附著固體表面的能力，表現為某種液體在其表面能夠伸展的能力。

潤溼性的研究對於人們生活和工業生產有著將其重要的意義，例如發電廠中鍋爐和冷凝器表面性潤溼性較差導致液體難以疏導走會影響發電效率；在石油開採過程中透過改岩石表面潤溼效能，可以減少石油相吸附來以提高石油採收率；我們日常生活使用的不粘鍋就是需要在表面增加塗層使油滴不潤溼來進行改良。

因此科研人員針對不同應用場景下的潤溼效能調控及應用進行了大量研究，形成了多種調控方法。

如果想要精確控制潤溼性，那麼需要對潤溼機理了解清楚，人們一般透過定義液滴與固體侵潤後形成的接觸角來評價潤溼性的效能，接觸角與固、液和氣相之間的介面表面張力分佈有關，最終導致形成的表面能存在差異。

如果固體表面能大於液體表面能，則液體將會更容易潤溼表面，其接觸角較小會形成半毛細吸收態 (Hemiwicking State) 或毛細吸收態（Wicking State），反之接觸角過大則會形成非潤溼性的凱西態（Cassie State)。

因此設計不同接觸面的表面能對於控制介面潤溼性是很重要的，大量研究表明可以透過表面活性劑實現對錶面的改性而修飾其表面能。也有相關研究表面高溼潤性可以透過表面粗化來實現，使液滴在接觸表面時呈現低接觸角。也有部分研究透過表面微結構使介面形成非潤溼狀態。但是怎樣讓難潤溼的介面變成潤溼狀態呢？

圖 1：液滴潤溼和非潤溼表面的接觸角變化及表面能態（來源：PNAS）

如何讓難以馴服的液態汞潤溼表面

近日來自 MIT 機械工程學院的 Evelyn Wang 教授課題組的 Kyle Wilke 博士和陸正茂博士首次透過構造固體表面微觀結構的方式實現了傳統非潤溼固液介面轉變到理想潤溼性水平。

該方法有望使所有液體高度溼潤固相表面，包括超高表面張力流體，如液態金屬汞。液態汞通常被認為是高度不潤溼表面的，但它卻是一種好的導熱材料，在某些特殊場景有著非常重要的作用。

陸博士所在的團隊透過設計一種帶有凹角微槽結構的表面，使得液態汞在沒有化學反應的情況下可以潤溼表面，達到半毛細吸收態。實驗顯示液態汞在該含氟塗層的微結構矽表面將接觸角縮小到 35°以下實現潤溼效應，而在普通表面的非潤溼狀態時接觸角為 143°。

這是科研人員首次透過表面微結構的方式顯示了從未有過的潤溼機制，這項新工作為可潤溼性的控制打開了大門。該成果在 2022 年 1 月，以《讓傳統非浸潤表面浸潤超高表面能液體》“Turning traditionally nonwetting surfaces wetting for even ultra-high surface energy liquids”為題發表在美國權威雜誌《PNAS》上[1]，並且得到了 MIT 官網首頁的報道。

圖 2：金屬汞液滴潤溼在微結構表面（來源：PNAS）

陸博士所在的團隊採用新方法對錶面進行處理，構造一種帶有凹角的槽式微結構，每個槽道從側刨面觀察頂部的開口比空腔的其餘部分更窄。然後使用一種液體對槽道進行填充預處理，同時在微結構的開口處留下暴露液體區域，實現了開口處的表面張力分佈改變。

當新增另一種液體時，該液體可能與預載入到表面的液體相同或不同，實現了表面的非潤溼性轉變為潤溼性狀態。陸博士表示為了證明該結構的強大潤溼效能，他們在矽基表面還塗有一層 60nm 厚的聚合物 C4F8, 由於塗層是一種低表面能材料，它通常會使表面更具疏水性，使得介面的潤溼更加困難。

而在這項工作中使用的特殊設計槽道凹角表面，在透過強力抽真空條件下預充液態汞後，液態汞被截留在凹角槽道結構中形成特殊表面能的介面，而位於頂部的汞滴與之接觸後則呈現半毛細吸收態的潤溼介面。

圖 3：帶有凹角的微結構側面檢視（來源：PNAS）

凹角微結構牢牢＂抓住＂液態汞液滴

圖 4：凹角槽道結構構建區域性能勢壘的表面能變化，而普通槽槽則無法實現（來源：PNAS）

陸博士表示他們的實驗和理論分析已經證明，高潤溼性是可以透過引入特殊設計的微結構實現的，而不需要考慮介面本身內在的潤溼性。

槽道結構的凹角透過介面張力分佈實現表面能的特殊設計，可以構造區域性表面能勢壘使液體在表面中保持亞穩態的半毛細吸收狀態，即使液體本質上是非潤溼的，也可以達到半毛細吸收狀態。

在該結構中，槽道開口處的凹角的彎曲方向至關重要，對應不能的固液介面可以微調結構設計引數實現潤溼性的改變。因此微結構實現的這種亞穩態使人們能夠合理地控制潤溼行為，而不依賴於所使用的固液介面的表面能。

與這種具有特殊凹角的槽道對比，普通槽道微結構則不能實現潤溼狀態，因為無法構造區域性表面能勢壘將液滴封閉在半毛細吸收狀態。因此透過特殊微結構改變介面潤溼性這一概念的引入，將有望對利用潤溼性可控性的技術產生甚遠影響。

固液介面的潤溼性可控有望成為現實

目前來說，雖然在製造該微結構表面上存在諸多挑戰，但陸博士表示：這項研究中的微結構是使用傳統半導體制造工藝製造的，整個製造過程相對來說較為複雜，但目前只是為了機理驗證而進行的工藝加工。

他們也正在探索其他加工方法，例如將來會嘗試使用 3D 列印或超快鐳射加工等工藝來實現表面結構的製造，尤其是在複雜凹角結構的加工實現工藝上的突破。

這項工作中，透過理論和實驗證明了表面工程可以將傳統意義上的非潤溼介面程式設計高潤溼性介面，這大大拓寬了潤溼介面的應用空間。例如現在很多精密電子產品或裝置中使用的高溫熱管，可用於將熱量從一個地方傳導到另一個地方。

但傳輸熱量的媒介一般是液態金屬，眾所周知這些流體的表面張力非常高，很難實現表面潤溼。但是該團隊的這種新方法將會突破這一限制，實現液態金屬的高傳導性和高潤溼性雙優效能表現。

圖｜陸正茂（來源：陸正茂）

同時陸博士所在的團隊還在繼續探索和改進微結構設計，研究其在轉變介面潤溼性的作用。例如槽道開口的表面積和間距主要決定了它們的潤溼性行為，但它們的深度可能會影響這種行為的穩定性，因為更深的孔更耐蒸發，這可能會破壞潤溼性的改善。

更進一步的研究很多行業會受益，無論是化學加工業、水處理行業還是熱產品行業等。同時陸博士還表示在本研究中透過微結構表面實現了最難的汞-聚合物 C4F8 的不潤溼性轉變，因此對於難度較低的非潤溼性介面，理論上可以更靈活地選擇合適的微結構表面，這必將開啟一個全新領域的研究。

陸博士目前正在 MIT 進行博士後研究工作，主要方向是使用奈米工程方法來解釋蒸發動力學。目前正致力於使用新穎工程材料為建築或者易腐物品創造高效能被動冷卻解決方案，從介面輸運角度最佳化能源系統等方面的研究。

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參考：
1、Wilke KL, Lu Z, Song Y, Wang EN. Turning traditionally nonwetting surfaces wetting for even ultra-high surface energy liquids. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2022 Jan 25;119(4).