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活性低聚表面活性劑促進(jìn)水滴在疏水表面的鋪展
來(lái)源：緩控釋科學(xué) 瀏覽 109 次 發(fā)布時(shí)間:2024-12-16
在噴墨打印、噴涂、生物陣列設(shè)計(jì)和高性能電子電路制備中，慣性高速撞擊液滴到尺寸精確、形狀均勻的目標(biāo)表面上至關(guān)重要。尤其是對(duì)于生物陣列設(shè)計(jì)，在陣列制備和樣品檢測(cè)過(guò)程中，穩(wěn)定液滴模式并避免附近液滴的交叉污染至關(guān)重要。超疏水表面是這些應(yīng)用中的最佳選擇，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)越的。自清潔和防污能力，可排斥其他材料的沉積，并具有液體限制特性，可提高打印分辨率并避免咖啡環(huán)效應(yīng)。然而，撞擊超疏水表面的慣性水滴會(huì)迅速?gòu)楅_(kāi)或劇烈濺起，不必要的反彈和濺起會(huì)造成材料浪費(fèi)，并降低相關(guān)的性能和效率。人們已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試，通過(guò)使用聚合物或表面活性劑來(lái)促進(jìn)水滴在疏水表面的鋪展。然而，這兩種方法在實(shí)現(xiàn)液滴沉積方面仍然存在缺點(diǎn)，更不用說(shuō)均勻鋪展了：1)聚合物添加劑可以延遲液滴回縮，但會(huì)使液滴保持半球形，并且在疏水基底上材料分布不均勻。2)聚合物添加劑的潤(rùn)濕性差和分子量大，限制了噴墨打印過(guò)程中的噴射過(guò)程。3)表面活性劑添加劑可以降低表面張力，從而促進(jìn)液滴在靜態(tài)下的鋪展；然而，根據(jù)開(kāi)爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性，低表面張力會(huì)增加撞擊液滴的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致液滴與衛(wèi)星液滴一起飛濺。
本研究通過(guò)引入活性低聚表面活性劑粘附，可以在超疏水表面上實(shí)現(xiàn)均勻的圓形液滴鋪展和高分辨率噴墨打印圖案，高速撞擊后不會(huì)濺出或反彈。在撞擊過(guò)程中，活性低聚表面活性劑分子聚集成動(dòng)態(tài)的蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)絡(luò)，這些膠束網(wǎng)絡(luò)通過(guò)與表面微/納米結(jié)構(gòu)纏繞在一起而堵塞在固液界面處以固定接觸線并堵塞在擴(kuò)散外圍以保持均勻擴(kuò)散的層狀形狀。這種高速撞擊液滴的高效均勻擴(kuò)散為控制液滴撞擊動(dòng)力學(xué)和實(shí)現(xiàn)高分辨率打印開(kāi)辟了一條有希望的途徑。
圖1.高速液滴撞擊超疏水表面的動(dòng)態(tài)行為。a)掃描電子顯微鏡(SEM)揭示了表面的微觀結(jié)構(gòu)。插圖：水接觸角為161.3±1.1°，確保超疏水性。b–e)表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)。f)撞擊超疏水表面的水滴出現(xiàn)飛濺和反彈。g–j)分別含有SDS、N2C3/SDS、三胺/SDS和12-3-12-3-12添加劑的水滴在超疏水表面上的撞擊動(dòng)力學(xué)的側(cè)面和仰視圖。g,h)含有SDS或N2C3/SDS添加劑的液滴抑制了反彈，但仍會(huì)產(chǎn)生飛濺或后退破碎。i)含有三胺/SDS的液滴一旦與基材接觸就會(huì)形成穩(wěn)定的周邊邊緣，隨后完全沉積在超疏水表面上而不會(huì)發(fā)生任何飛濺或碎裂。完全均勻的潤(rùn)濕膜在達(dá)到最大擴(kuò)散面積后保持不變。j)合成低聚表面活性劑12-3-12-3-12添加劑對(duì)水滴的影響影響不大。濺射和反彈仍然會(huì)發(fā)生。箭頭的長(zhǎng)度表示擴(kuò)散或反彈速度的變化。
圖2.撞擊結(jié)果的物理化學(xué)性質(zhì)和相圖。a,b)SDS和三胺/SDS聚集狀態(tài)的示意圖和低溫透射電鏡圖像。a)單獨(dú)的SDS形成小的球形膠束，用虛線矩形突出顯示。b)加入三胺后，三胺/SDS形成長(zhǎng)而密集的纏結(jié)線性膠束。c,d)在不同摩爾比R和摩爾濃度CSDS下三胺/SDS的粘度和聚集長(zhǎng)度。在臨界摩爾比或摩爾濃度之后，膠束伸長(zhǎng)并纏結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致粘度急劇增加。e,f)不同R和CSDS下三胺/SDS的動(dòng)態(tài)表面張力(DST)曲線。隨著R和CSDS的增加，初始和平衡表面張力均顯著降低。g,h)不同We數(shù)下三胺/SDS液滴撞擊超疏水表面的動(dòng)態(tài)行為相圖。在高We下，含有三胺/SDS添加劑的液滴只有在特定的摩爾比（0.45–0.50）和特定的摩爾濃度（>20.0×10?3 m）下才能完全沉積在超疏水表面上。
圖3.活性低聚表面活性劑高速撞擊超疏水表面后均勻鋪展的示意圖。a、b)液滴包含三維纏結(jié)的蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)絡(luò)。c)SDS、三胺、蠕蟲(chóng)狀膠束和具有微/納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面的示意圖。d–h)表面活性劑分子快速擴(kuò)散到新形成的界面，并緊密堆積在水-空氣界面。蠕蟲(chóng)狀膠束被迫伸展以固定水。在快速擴(kuò)散過(guò)程中，擴(kuò)散邊緣穩(wěn)定且均勻。h)蠕蟲(chóng)狀膠束的密集網(wǎng)絡(luò)纏繞著基底的微納米結(jié)構(gòu)，三胺/SDS液滴撞擊后的低溫掃描電鏡圖像支持了這一觀點(diǎn)，其中較大的圖像顯示了較小圖像底部的網(wǎng)絡(luò)。f)表面活性劑分子與基質(zhì)具有很強(qiáng)的相互作用，蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)絡(luò)與基質(zhì)的微/納米結(jié)構(gòu)纏繞在一起。i–m)在最終平衡狀態(tài)下，致密的蠕蟲(chóng)狀膠束存在于擴(kuò)散外圍并與微/納米結(jié)構(gòu)纏繞在一起。左欄中所有液滴的比例尺均為1毫米。