液晶与显示·封面 | 基于液晶功能表面的液滴输运研究

微流控系统是一种基于微流体技术的实验平台，用于控制和操纵微小液滴、细胞、微粒等微尺度物质的运动和反应，具有高通量、小样本用量、高灵敏度、低成本和易集成等优势，在化学、生物、环境等领域具有广泛的应用前景。

然而，传统的微流控系统存在若干问题，如系统繁杂、操作复杂、功能单一等，这极大地限制了微流控器件的普及。近年来，基于液晶体系的微流控系统引起了科研人员的关注，在微流控领域具有巨大的潜力。液晶是除了气体、液体和固体之外的第四态物质，兼具晶体的有序性和液体的流动性。基于液晶对外界刺激具有敏感的响应特性，我们可以通过施加外界的电场、热场、光场、磁场和化学环境等因素来调控其光电性质，实现对微流体的精确操控。而且，液晶材料的可逆动态调控也使得液晶微流控系统可以被多次重复利用，大大提高了器件成本效益。此外，液晶材料具有良好的透明性，满足了对受控液体实时监测的需求，有利于观察或分析微流体内部的流动行为以及检测微小生物、颗粒或分子等。

然而，目前对基于液晶开放表面微流控系统的研究还不够充分，包括微流控元件的开发、定向输运行为以及液滴、微粒等目标探测物的操控规律和机制都需要进一步深入研究。

图1：《液晶与显示》2023年第10期封面图

针对上述挑战，南京大学陆延青教授、马玲玲特聘研究员、魏阳博士及研究生窦韵洁、王泽宇等人开发出一种新型微流体操纵技术，该技术成功实现了液滴在液晶功能表面的各向异性输运。这为开发基于图案化液晶功能表面的特异性微流控技术奠定了基础。最近，该研究以“基于液晶功能表面的液滴输运研究”为题发表在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2023年第10期，并被选为当期封面文章。

图2：（a）向列相液晶聚合膜显微织构图；（b）近晶相液晶聚合膜显微织构图；（c）不同温度下小分子液晶8CB的近晶相液晶聚合物膜显微织构图；（d）近晶相聚合膜上水滴被小分子液晶8CB包裹过程。
图源：液晶与显示, 2023,38(10):1322-1329. Figs.1,2,4

研究人员通过优化液晶聚合物薄膜合成工艺，成功制备了高质量的向列相态聚合物薄膜和近晶相态聚合物薄膜（图2(a)和2(b)）。通过注入8CB液晶分子形成注液光滑表面，制备了具有温度调控性的液晶功能表面（图2(c)）。为了研究水滴在液晶聚合膜上的运输特性，研究人员结合水滴的运动情况（图2(d)），构建了理论模型来探讨重力、摩擦力、表面张力及表面附着力对水滴输运速度的影响，针对形成的四相系统（气体、润滑液、探测液和固体）进行了分析。

为了实现液滴在液晶功能表面的各向异性输运，并探究其操纵规律，研究人员通过调控聚合物薄膜和8CB分子的相态，研究了水滴的输运行为（图3）。结果表明：

1. 向列相聚合膜可以在很小的倾角下实现水滴的流畅滑动；

2. 与近晶相聚合膜相比，向列相聚合膜可以在相同条件下为水滴提供更快的输运速度；

3. 利用分子表面粗糙度变化，通过控制8CB小分子液晶处于近晶相和向列相，可分别起到固定和输运液滴的作用。

图3：(a）水滴沿向列相聚合膜取向方向滑动的始末位置，均速为1.9 mm/min；（b）水滴沿垂直于向列相聚合膜取向方向滑动的始末位置，均速为1.0 mm/min。玻璃基板的倾斜角度约为1°。
图源：液晶与显示, 2023,38(10):1322-1329. Fig.3

更重要的是，研究人员利用8CB棒状分子在不同取向方向上分子极性和表面能的不同实现了液滴在近晶相和向列相聚合膜上的各向异性输运。从化学角度看，8CB棒状分子一端的强极性氰基对水分子有较大的吸引力，即液滴滑动的阻力，因此液滴沿着平行取向的滑动速度大于沿垂直取向的滑动速度。从表面能角度看，垂直取向方向的液晶分子密度大于平行取向方向的液晶分子密度，导致水滴沿平行取向方向运动所需克服的表面能更低，因此滑动更快。

基于上述研究内容，研究人员通过液晶聚合物薄膜材料的可控制备，开发了取向序各向异性的功能聚合物薄膜，实现了对液滴各向异性输运行为的操控。可以预见，通过进一步图案化光控取向技术，可以实现对微小液滴尺寸的精密控制，规划液滴在液晶光滑表面的输运路径，在未来具有广阔的研究和应用价值。

▍论文信息

窦韵洁，王泽宇，魏阳，马玲玲，陆延青. 基于液晶功能表面的液滴输运研究[J]. 液晶与显示, 2023,38(10):1322-1329.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0211

▍通讯作者简介

魏阳，博士，2023年于南京工业大学获得博士学位，主要从事各向异性光学功能材料性能及其应用研究。
E-mail: yangwei20630@163.com

马玲玲，博士，南京大学特聘研究员，2019年于南京大学获得博士学位，主要从事液晶光学微结构材料及其应用研究。
E-mail: malingling@nju.edu.cn

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