在噴(pen)墨(mo)打(da)印、噴(pen)涂、生物(wu)陣列設(she)計(ji)和(he)(he)高性(xing)(xing)(xing)(xing)能電子電路(lu)制(zhi)備(bei)中(zhong)(zhong)，慣(guan)性(xing)(xing)(xing)(xing)高速撞擊液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)到尺寸精確、形狀(zhuang)均勻的(de)(de)目標表(biao)面(mian)(mian)上(shang)至關(guan)重要(yao)。尤(you)其是對于生物(wu)陣列設(she)計(ji)，在陣列制(zhi)備(bei)和(he)(he)樣品檢(jian)測(ce)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，穩定(ding)(ding)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)模式并(bing)避免(mian)附(fu)近液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)的(de)(de)交(jiao)叉(cha)污染至關(guan)重要(yao)。超疏(shu)水表(biao)面(mian)(mian)是這(zhe)些應(ying)用中(zhong)(zhong)的(de)(de)最佳選擇，因(yin)為它(ta)們具有(you)優越的(de)(de)。自清(qing)潔和(he)(he)防污能力，可(ke)(ke)排斥其他材(cai)料的(de)(de)沉積(ji)，并(bing)具有(you)液(ye)(ye)(ye)體限制(zhi)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，可(ke)(ke)提高打(da)印分辨率并(bing)避免(mian)咖(ka)啡環效(xiao)應(ying)。然(ran)而，撞擊超疏(shu)水表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)慣(guan)性(xing)(xing)(xing)(xing)水滴(di)(di)(di)(di)(di)會(hui)(hui)(hui)迅速彈(dan)開或劇烈濺起，不(bu)必要(yao)的(de)(de)反彈(dan)和(he)(he)濺起會(hui)(hui)(hui)造成(cheng)材(cai)料浪費，并(bing)降(jiang)低(di)(di)相關(guan)的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)(xing)能和(he)(he)效(xiao)率。人(ren)們已(yi)經(jing)進(jin)行(xing)了(le)許多嘗試，通(tong)過(guo)使(shi)用聚(ju)(ju)合(he)物(wu)或表(biao)面(mian)(mian)活性(xing)(xing)(xing)(xing)劑(ji)來促進(jin)水滴(di)(di)(di)(di)(di)在疏(shu)水表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)鋪(pu)展。然(ran)而，這(zhe)兩(liang)種方法在實(shi)現液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)沉積(ji)方面(mian)(mian)仍然(ran)存在缺(que)點，更不(bu)用說(shuo)均勻鋪(pu)展了(le)：1)聚(ju)(ju)合(he)物(wu)添加劑(ji)可(ke)(ke)以延遲液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)回(hui)縮，但會(hui)(hui)(hui)使(shi)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)保(bao)持半球形，并(bing)且(qie)在疏(shu)水基(ji)底(di)上(shang)材(cai)料分布(bu)不(bu)均勻。2)聚(ju)(ju)合(he)物(wu)添加劑(ji)的(de)(de)潤濕性(xing)(xing)(xing)(xing)差和(he)(he)分子量大，限制(zhi)了(le)噴(pen)墨(mo)打(da)印過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)噴(pen)射(she)過(guo)程(cheng)。3)表(biao)面(mian)(mian)活性(xing)(xing)(xing)(xing)劑(ji)添加劑(ji)可(ke)(ke)以降(jiang)低(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)張力，從而促進(jin)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)在靜態(tai)下(xia)的(de)(de)鋪(pu)展；然(ran)而，根(gen)據開爾文-亥姆霍茲不(bu)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)，低(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)張力會(hui)(hui)(hui)增加撞擊液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)的(de)(de)不(bu)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)，導致液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)與衛星(xing)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)(di)(di)(di)一起飛(fei)濺。

本研究通過引(yin)入活(huo)性(xing)低聚表面活(huo)性(xing)劑粘附，可以在(zai)超疏水表面上(shang)實現均勻的(de)(de)圓形液(ye)滴鋪(pu)展和(he)高(gao)(gao)分(fen)辨(bian)率噴墨打印圖案(an)，高(gao)(gao)速撞(zhuang)擊(ji)后不會濺(jian)出或反彈。在(zai)撞(zhuang)擊(ji)過程中，活(huo)性(xing)低聚表面活(huo)性(xing)劑分(fen)子(zi)聚集(ji)成動(dong)態的(de)(de)蠕(ru)蟲狀(zhuang)(zhuang)膠束網絡，這些膠束網絡通過與表面微(wei)/納米結構(gou)纏繞在(zai)一起而堵塞在(zai)固液(ye)界面處以固定接(jie)觸線并堵塞在(zai)擴散外圍(wei)以保持均勻擴散的(de)(de)層狀(zhuang)(zhuang)形狀(zhuang)(zhuang)。這種高(gao)(gao)速撞(zhuang)擊(ji)液(ye)滴的(de)(de)高(gao)(gao)效均勻擴散為控制液(ye)滴撞(zhuang)擊(ji)動(dong)力學和(he)實現高(gao)(gao)分(fen)辨(bian)率打印開辟了一條有希望的(de)(de)途徑。

圖1.高速(su)液滴(di)(di)(di)撞擊超疏(shu)水(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)動(dong)態行為。a)掃描電子顯微鏡(SEM)揭示了表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)微觀結構。插圖：水(shui)接觸(chu)角為161.3±1.1°，確保超疏(shu)水(shui)性。b–e)表(biao)面(mian)(mian)(mian)活性劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)分子結構。f)撞擊超疏(shu)水(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)水(shui)滴(di)(di)(di)出現飛(fei)濺(jian)(jian)和(he)反(fan)彈(dan)(dan)。g–j)分別含有(you)SDS、N2C3/SDS、三胺/SDS和(he)12-3-12-3-12添加(jia)劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)水(shui)滴(di)(di)(di)在(zai)超疏(shu)水(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)上的(de)(de)(de)撞擊動(dong)力學的(de)(de)(de)側(ce)面(mian)(mian)(mian)和(he)仰(yang)視圖。g,h)含有(you)SDS或(huo)N2C3/SDS添加(jia)劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)液滴(di)(di)(di)抑制了反(fan)彈(dan)(dan)，但仍(reng)會產(chan)生飛(fei)濺(jian)(jian)或(huo)后(hou)退破碎。i)含有(you)三胺/SDS的(de)(de)(de)液滴(di)(di)(di)一旦與(yu)基材接觸(chu)就(jiu)會形成穩(wen)定的(de)(de)(de)周(zhou)邊邊緣，隨后(hou)完全沉積(ji)在(zai)超疏(shu)水(shui)表(biao)面(mian)(mian)(mian)上而(er)不(bu)會發生任(ren)何飛(fei)濺(jian)(jian)或(huo)碎裂(lie)。完全均勻(yun)的(de)(de)(de)潤(run)濕膜在(zai)達(da)到(dao)最大(da)擴散面(mian)(mian)(mian)積(ji)后(hou)保持不(bu)變。j)合成低(di)聚表(biao)面(mian)(mian)(mian)活性劑(ji)(ji)(ji)12-3-12-3-12添加(jia)劑(ji)(ji)(ji)對水(shui)滴(di)(di)(di)的(de)(de)(de)影響(xiang)影響(xiang)不(bu)大(da)。濺(jian)(jian)射和(he)反(fan)彈(dan)(dan)仍(reng)然(ran)會發生。箭(jian)頭的(de)(de)(de)長度(du)表(biao)示擴散或(huo)反(fan)彈(dan)(dan)速(su)度(du)的(de)(de)(de)變化。

圖(tu)2.撞(zhuang)擊(ji)結果的(de)(de)(de)物(wu)理化學(xue)性質(zhi)和(he)(he)(he)(he)相(xiang)圖(tu)。a,b)SDS和(he)(he)(he)(he)三(san)(san)胺/SDS聚集狀態的(de)(de)(de)示意圖(tu)和(he)(he)(he)(he)低溫透射電鏡圖(tu)像。a)單獨的(de)(de)(de)SDS形(xing)成(cheng)小的(de)(de)(de)球形(xing)膠束，用虛(xu)線(xian)矩形(xing)突(tu)出顯(xian)示。b)加(jia)(jia)入三(san)(san)胺后，三(san)(san)胺/SDS形(xing)成(cheng)長而密集的(de)(de)(de)纏結線(xian)性膠束。c,d)在(zai)不同摩(mo)(mo)(mo)爾(er)(er)(er)比(bi)R和(he)(he)(he)(he)摩(mo)(mo)(mo)爾(er)(er)(er)濃度(du)(du)CSDS下(xia)三(san)(san)胺/SDS的(de)(de)(de)粘度(du)(du)和(he)(he)(he)(he)聚集長度(du)(du)。在(zai)臨界摩(mo)(mo)(mo)爾(er)(er)(er)比(bi)或(huo)摩(mo)(mo)(mo)爾(er)(er)(er)濃度(du)(du)之后，膠束伸長并纏結成(cheng)網絡結構，導致粘度(du)(du)急劇增加(jia)(jia)。e,f)不同R和(he)(he)(he)(he)CSDS下(xia)三(san)(san)胺/SDS的(de)(de)(de)動態表(biao)面張力(DST)曲線(xian)。隨(sui)著(zhu)R和(he)(he)(he)(he)CSDS的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)，初始(shi)和(he)(he)(he)(he)平(ping)衡表(biao)面張力均顯(xian)著(zhu)降低。g,h)不同We數下(xia)三(san)(san)胺/SDS液(ye)滴(di)(di)撞(zhuang)擊(ji)超(chao)疏水表(biao)面的(de)(de)(de)動態行(xing)為相(xiang)圖(tu)。在(zai)高We下(xia)，含有三(san)(san)胺/SDS添加(jia)(jia)劑(ji)的(de)(de)(de)液(ye)滴(di)(di)只有在(zai)特定(ding)的(de)(de)(de)摩(mo)(mo)(mo)爾(er)(er)(er)比(bi)（0.45–0.50）和(he)(he)(he)(he)特定(ding)的(de)(de)(de)摩(mo)(mo)(mo)爾(er)(er)(er)濃度(du)(du)（>20.0×10?3 m）下(xia)才能完全沉(chen)積在(zai)超(chao)疏水表(biao)面上。

圖(tu)3.活(huo)性(xing)低聚表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)高速撞擊(ji)(ji)超疏(shu)水表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)后均(jun)勻(yun)鋪展的(de)(de)(de)示意(yi)圖(tu)。a、b)液滴包含三(san)維(wei)纏(chan)結(jie)的(de)(de)(de)蠕(ru)蟲(chong)(chong)(chong)狀(zhuang)膠(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)(shu)網絡。c)SDS、三(san)胺、蠕(ru)蟲(chong)(chong)(chong)狀(zhuang)膠(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)(shu)和具(ju)(ju)有(you)(you)微(wei)(wei)(wei)/納米(mi)(mi)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)超疏(shu)水表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)示意(yi)圖(tu)。d–h)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)分子快速擴(kuo)散(san)到新形成的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)，并緊密(mi)堆積在(zai)(zai)水-空氣界(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)。蠕(ru)蟲(chong)(chong)(chong)狀(zhuang)膠(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)(shu)被迫伸展以固定水。在(zai)(zai)快速擴(kuo)散(san)過程中(zhong)，擴(kuo)散(san)邊緣穩定且均(jun)勻(yun)。h)蠕(ru)蟲(chong)(chong)(chong)狀(zhuang)膠(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)(shu)的(de)(de)(de)密(mi)集網絡纏(chan)繞(rao)著基(ji)(ji)底(di)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)納米(mi)(mi)結(jie)構(gou)，三(san)胺/SDS液滴撞擊(ji)(ji)后的(de)(de)(de)低溫掃描電鏡圖(tu)像(xiang)支持(chi)了這一(yi)(yi)觀點，其中(zhong)較大的(de)(de)(de)圖(tu)像(xiang)顯示了較小圖(tu)像(xiang)底(di)部的(de)(de)(de)網絡。f)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)分子與基(ji)(ji)質(zhi)具(ju)(ju)有(you)(you)很強(qiang)的(de)(de)(de)相互作用，蠕(ru)蟲(chong)(chong)(chong)狀(zhuang)膠(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)(shu)網絡與基(ji)(ji)質(zhi)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)/納米(mi)(mi)結(jie)構(gou)纏(chan)繞(rao)在(zai)(zai)一(yi)(yi)起(qi)。i–m)在(zai)(zai)最(zui)終(zhong)平衡狀(zhuang)態下，致密(mi)的(de)(de)(de)蠕(ru)蟲(chong)(chong)(chong)狀(zhuang)膠(jiao)(jiao)(jiao)束(shu)(shu)存(cun)在(zai)(zai)于擴(kuo)散(san)外圍并與微(wei)(wei)(wei)/納米(mi)(mi)結(jie)構(gou)纏(chan)繞(rao)在(zai)(zai)一(yi)(yi)起(qi)。左欄(lan)中(zhong)所有(you)(you)液滴的(de)(de)(de)比例尺均(jun)為(wei)1毫(hao)米(mi)(mi)。