在噴墨打印、噴涂、生物陣列設(shè)計和高性能電子電路制備中，慣性高速撞擊液滴到尺寸精確、形狀均勻的目標表面上至關(guān)重要。尤其是對于生物陣列設(shè)計，在陣列制備和樣品檢測過程中，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，因為它們具有優(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迅速彈開或劇烈濺起，不必要的反彈和濺起會造成材料浪費，并降低相關(guān)的性能和效率。人們已經(jīng)進行了許多嘗試，通過使用聚合物或表面活性劑來促進水滴在疏水表面的鋪展。然而，這兩種方法在實現(xiàn)液滴沉積方面仍然存在缺點，更不用說均勻鋪展了：1)聚合物添加劑可以延遲液滴回縮，但會使液滴保持半球形，并且在疏水基底上材料分布不均勻。2)聚合物添加劑的潤濕性差和分子量大，限制了噴墨打印過程中的噴射過程。3)表面活性劑添加劑可以降低表面張力，從而促進液滴在靜態(tài)下的鋪展；然而，根據(jù)開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性，低表面張力會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。

本研究通過引入活性低聚表面活性劑粘附，可以在超疏水表面上實現(xiàn)均勻的圓形液滴鋪展和高分辨率噴墨打印圖案，高速撞擊后不會濺出或反彈。在撞擊過程中，活性低聚表面活性劑分子聚集成動態(tài)的蠕蟲狀膠束網(wǎng)絡(luò)，這些膠束網(wǎng)絡(luò)通過與表面微/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散外圍以保持均勻擴散的層狀形狀。這種高速撞擊液滴的高效均勻擴散為控制液滴撞擊動力學和實現(xiàn)高分辨率打印開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力學的側(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發(fā)生任何飛濺或碎裂。完全均勻的潤濕膜在達到最大擴散面積后保持不變。j)合成低聚表面活性劑12-3-12-3-12添加劑對水滴的影響影響不大。濺射和反彈仍然會發(fā)生。箭頭的長度表示擴散或反彈速度的變化。

圖2.撞擊結(jié)果的物理化學性質(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的粘度和聚集長度。在臨界摩爾比或摩爾濃度之后，膠束伸長并纏結(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)的蠕蟲狀膠束網(wǎng)絡(luò)。c)SDS、三胺、蠕蟲狀膠束和具有微/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散到新形成的界面，并緊密堆積在水-空氣界面。蠕蟲狀膠束被迫伸展以固定水。在快速擴散過程中，擴散邊緣穩(wěn)定且均勻。h)蠕蟲狀膠束的密集網(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，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)具有很強的相互作用，蠕蟲狀膠束網(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，致密的蠕蟲狀膠束存在于擴散外圍并與微/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。