談到對(duì)表面液體的控制，最容易想到的方法就是構(gòu)建由固態(tài)材料組成的管道以引導(dǎo)液體的流動(dòng)，但存在諸如管道制作工藝復(fù)雜、管壁與液體之間存在摩擦從而可能導(dǎo)致流速變慢甚至堵塞等缺陷。相比之下，使用無(wú)固體管壁的表面來(lái)控制液體的流動(dòng)則可以有效的避免上述問(wèn)題，因而對(duì)微流控系統(tǒng)、防污涂層材料、油水分離等研究方向具有重要意義。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，目前報(bào)道的策略有用全氟材料對(duì)表面以特定的圖案加以修飾，這樣所得的超疏表面可以控制低表面張力液體在表面以預(yù)設(shè)的圖案流動(dòng)，以及利用與水不相溶的液體構(gòu)建可以讓水分子通過(guò)的通道。但這些體系仍有不足，因此對(duì)表面上液體流動(dòng)的控制仍然有提升的空間。

對(duì)此，來(lái)自德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Pavel A. Levkin團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新的策略，他們發(fā)現(xiàn)在小尺度下，被限域在親水表面的水具有足夠的機(jī)械穩(wěn)定性，從而可以作為“液態(tài)墻壁”而儲(chǔ)存其他有機(jī)液體。利用該策略，作者構(gòu)建了不同容積和形狀的“水容器”，并且證明了這些水容器具有可形變性、可自愈性等固體容器所不具備的特征（圖1A）。最后，利用水容器的易除性，作者以水容器作為模板，簡(jiǎn)便的合成了具有相應(yīng)形狀的高分子材料。

體系設(shè)計(jì)

作者首先分別將對(duì)環(huán)境較為友好的2-巰基乙醇和1-十二硫醇作為親水和疏水基團(tuán)修飾在表面，從而使得水分子可以在表面被限域在2-巰基乙醇修飾的環(huán)形范圍內(nèi)。在向環(huán)形所包圍的疏水表面上加入低表面張力液體（LSTL）后，由水構(gòu)成的環(huán)狀形貌得到了保持，而LSTL則在環(huán)形內(nèi)部鋪展開來(lái)直至環(huán)形邊界（圖1B），從而實(shí)現(xiàn)了在表面用水對(duì)LSTL的容納。通過(guò)改變表面親疏水基團(tuán)的分布，作者成功構(gòu)筑了一系列不同形狀，內(nèi)部寬度最小可為1mm的液相容器（圖1C），而這些容器均能實(shí)現(xiàn)對(duì)LSTL的容納。為了研究表面上的LSTL與水在容納過(guò)程發(fā)生后的分布情況，作者以1-壬醇為例，通過(guò)Raman光譜對(duì)水的羥基振動(dòng)以及1-壬醇中的C-H鍵振動(dòng)進(jìn)行了表征（圖1D）。結(jié)果顯示，水相中心的羥基振動(dòng)強(qiáng)度強(qiáng)于邊緣，這可能是水環(huán)中心高于邊緣所致；而在水相幾乎不存在C-H鍵的振動(dòng)則證明了1-壬醇與水有明確的邊界。作者進(jìn)一步對(duì)可以被容納的LSTL進(jìn)行了篩查，發(fā)現(xiàn)常見(jiàn)的非極性溶劑，如甲苯、二氯甲烷、正己烷以及具有長(zhǎng)脂肪鏈的一級(jí)醇類均可被水環(huán)所容納。

性質(zhì)表征

與固態(tài)容器相比，水容器具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)。首先，由于液體的流動(dòng)性，水容器可以通過(guò)形變而容納比初始包圍的體積更多的LSTL。以水環(huán)為例，作者發(fā)現(xiàn)50mL的1-壬醇即可填滿水環(huán)內(nèi)部的面積，但水環(huán)可以最終容納200 mL的1-壬醇（圖2A），而此時(shí)1-壬醇的最終液面高度在毛細(xì)作用下可以高于水環(huán)的高度。其次，液體的流動(dòng)性賦予了水容器自愈的能力。作者用刀切容納有1-壬醇的水環(huán)，發(fā)現(xiàn)除了少量1-壬醇會(huì)在刀切的過(guò)程中隨著刀的移動(dòng)軌跡外逸之外，水環(huán)的容納能力得到了保持（圖2B）。最后，液體的萃取能力為水容器提供了容納之外的功能。作者將含有油紅O和甲基藍(lán)的1-癸醇加入水環(huán)中，發(fā)現(xiàn)水溶性更好的甲基藍(lán)隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移至水環(huán)之中（圖2C），從而證實(shí)了水容器的萃取性質(zhì)，為進(jìn)一步在表面構(gòu)建具有物質(zhì)檢測(cè)能力的微流控設(shè)備提供了便利。最后，作者發(fā)現(xiàn)雖然水容器會(huì)在外界的震動(dòng)或者傾斜的情況下發(fā)生流動(dòng)和形狀改變，但當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)靜止時(shí)容器便可恢復(fù)至最初的結(jié)構(gòu)（圖2D），這一現(xiàn)象證明了水容器對(duì)外界溫和的機(jī)械擾動(dòng)具有良好的抗性，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

容納機(jī)理研究

為了更好的理解水容器與容納其中的LSTL的相互作用，作者分別將正十六烷和1-壬醇作為被容納溶劑，對(duì)最終的水-有機(jī)溶劑體系的形貌進(jìn)行了研究。作者發(fā)現(xiàn)，在三角形的水環(huán)內(nèi)，正十六烷所呈的三角形角度更為銳利，而1-壬醇所呈的三角形則為弧狀（圖3A）。此外，同體積的正十六烷和1-壬醇在相同的水容器內(nèi)的鋪展程度也有所不同，二者與水容器所占面積比分別為47:53和37:63。這些現(xiàn)象證明了LSTL的化學(xué)組成對(duì)水-LSTL界面的形狀有重要影響。作者用激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）對(duì)水-有機(jī)溶劑界面在加入兩種有機(jī)溶劑前后的形貌進(jìn)行了表征和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)部分正十六烷會(huì)在與水的邊界處鋪展至水面之上，而1-壬醇則剛好相反，與水的界面處呈向內(nèi)傾斜的狀態(tài)（圖3B），從而導(dǎo)致了二者在鋪展面積上的區(qū)別。作者進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以解釋，提出有機(jī)溶劑、水、空氣三者之間的界面張力大小是決定有機(jī)溶劑能否被水容器容納，以及有機(jī)溶劑是否會(huì)在界面處鋪展至水面之上的主要因素。

表面模板聚合

最后，作者對(duì)水容器的潛在應(yīng)用進(jìn)行了探索。通過(guò)將單體容納在水容器之內(nèi)，作者成功通過(guò)聚合反應(yīng)獲得了具有特定形狀的高分子膜。而合成之后作為模板的水容器可以簡(jiǎn)單的移除和恢復(fù)，從而為界面上高分子材料的“綠色”合成提供了新的思路（圖4）。

小結(jié)

總之，作者成功用水在界面上構(gòu)建了可容納不同有機(jī)溶劑的液態(tài)容器，而液態(tài)容器與固態(tài)容器相比所具有的一系列獨(dú)特性質(zhì)使得這一體系為進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有界面萃取、相轉(zhuǎn)移催化、界面反應(yīng)等功能的微流控設(shè)備提供了便利，并為減少有機(jī)溶劑儲(chǔ)存所產(chǎn)生的固體廢料，從而改善環(huán)境問(wèn)題提供可能。文章以“Liquid Wells as Self-Healing, Functional Analogues to Solid Vessels”為題發(fā)表于Advanced Materials。

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