潤濕性和 微流體技術「連結」 有著千絲萬縷的聯系，基於潤濕性的微流體方法顯示出相當大的潛力。除了微流體之外，研究人員對潤濕性研究也重新產生了興趣。微流控技術用於訊號檢測、細胞培養和材料合成等多個領域，其主要目的是促進微小液滴在寬度約為 10 μm 的窄管內的調節運動。由於對微米級流體力學的理解有限，微流體需要基於潤濕性設計的系統建模。本綜述首先對仿生表面進行評估，以全面概述潤濕性和微流體。該分析強調解析度和邏輯結構，重點是客觀、價值中立的語言和精確的用詞。詳細探討了荷葉表面和傳統潤濕性模型等值得註意的發現，並註意正式的套準、正確的語法和一致的格式。本文回顧了目前潤濕性研究的三個主要套用：分離油和水、收集霧水和運輸液滴。報告還分析了目前存在的挑戰。隨後，本文介紹了微流控的基本概念，重點介紹了層流和液滴現象，闡明了微流控中潤濕性的關鍵性。在此基礎上，該分析介紹了兩種建立基於潤濕性機制的系統的技術，並研究了微流體的生物套用，證明了其值得註意的潛力，盡管它有缺點。總之，該分析全面總結了潤濕性與微流體之間的關系，以及未來發展的可能前景。總之，本文旨在透過討論微流控在兩者密切相關的背景下的設計、構建和套用，為潤濕性和微流控的研究做出貢獻。
1. 引言
自蓮花效應被發現以來，潤濕性研究進入了一個新時代。在以往的研究中，潤濕性主要被用作評估材料效能的技術，而不是被視為一種固有特性。例如，研究人員研究了煤和電極材料的潤濕性，包括煤的潤濕性和電極材料的潤濕性。在發現蓮花效應（圖1a）之後，研究人員開始研究特定的可濕性表面作為熱點，從而發現了微納協同蓮花效應（圖1a）、玫瑰效應（圖1a）、鯊魚脛（圖1b）、魚鱗（圖1b）和蜘蛛絲（圖1b）。同時，還開展了仿生界面的潤濕性研究，大大增強了對表面界面潤濕性和仿生學的認識，包括水稻葉片（圖1a）、蝴蝶翅膀（圖1a）、仙人掌（圖1b）、水蛙（圖1a）、樹蛙（圖1b）。仿生表面通常利用微奈米結構來調節潤濕性。這種方法的靈感來自自然界中發現的某些生物表面，例如荷葉表面的超疏水性和壁虎腳墊的粘合能力。這些生物表面具有特定的微奈米結構，結合表面的化學性質，使表面具有獨特的潤濕性。此外，還啟發了材料加工和制備技術。在此基礎上，Han等人報道了用於鐵路車廂地板的受竹啟發的可再生、輕質和減振層壓結構。這種復合材料結合了層壓板結構設計和仿生復合界面的獨特優勢。Zhao等人總結了光敏奈米材料在無線神經仿生學、刺激和再生方面的行為，特別是奈米材料-神經界面的光訊息傳遞通路和生物系統。綜上所述，生物奈米技術為潤濕性研究提供了開創性的研究方向，引發了研究人員對超潤濕材料的興趣。
圖 1.仿生學與潤濕性之間的關系。
在此基礎上，江課題組提出構建具有特殊潤濕性的二元協同奈米界面材料，簡化了超潤濕材料的生產。超潤濕材料的有趣特性使研究人員在油水分離（圖2a）、霧收集（圖2b）和液滴操作（圖2c）方面取得了重大突破。超潤濕紡織品在日常使用中的進步，使人們能夠遇到超潤濕材料的顯著特性。由於具有超潤濕性的表面的脆弱性，最近生長速度有所放緩。對於工程表面的實際套用，耐久性和大規模制備能力確實是必不可少的。表面的耐久性是一個重大挑戰，因為它們容易受到機械損傷和化學侵蝕，這可能導致其超疏水效能的喪失或完全破壞。因此，研究人員已經進行了許多嘗試來解決這個問題。Wang等人提出了堅固的超疏水表面的設計。透過合成跨尺度結構、超疏水奈米結構和堅固的微米結構，成功完成了超疏水「裝甲」的建立。此外，研究人員還成功地嘗試了超疏水表面的大規模制備。Wang等人報道了一種透過雷射制造超疏水的簡單過程。透過快速的雷射加工可以實作大規模的制備，從而有助於建立類似於魚鱗的仿生超疏水表面。雖然研究人員目前正在探索開發具有高耐久性的超潤濕材料的方法，但鑒於現代使用環境日益復雜造成的廣泛損害，這似乎不太可能實作。由於這些考慮，研究人員似乎已經失去了對研究潤濕性的興趣。有趣的是，微流體最近成為一項尖端技術，使研究人員能夠揭示潤濕性的迷人特性。例如，Wang等人實作了高通量單細胞複制陣列和濃度梯度發生器的整合微流控平台，可同時處理4320個單位並進行3000多個微反應，這是常規藥物篩選無法實作的。圖2中超潤濕材料的呈現與微流控技術並不完全對應。如何實作和實施微流控潤濕技術？
圖 2.超潤濕材料的套用
本文闡述了親水-疏水模型來描述表面液滴的形貌和分布，有助於理解微流控液滴的行為和流動模式。詳細闡述了微流控的關鍵原理，特別是微流控系統中的奇異毛細現象以及層流和液滴現象，強調了當前微流控中的液滴操作和系統設計在很大程度上依賴於以潤濕性為代表的表面過程，而不是以層流和液滴為代表的微觀流體動力學。提出了微流控的兩個系統模型，以說明該領域的演變和套用，即開放存取和封閉存取系統，證實了潤濕性在微流控中的重要性。兩種模型都基於潤濕性引起的毛細管效應，突出了潤濕性在微流體中的顯著影響，盡管它們的構建方法不同，但它們的基本原理保持不變。最後，總結了微流控在診斷和細胞分析中的實際套用，以期在這些領域取得進展。該評論表明，微流控將在未來幾年內在醫學和生物學領域的廣泛自動化和智慧化中發揮重要作用。綜上所述，本文綜述了從仿生學啟發的潤濕性到潤濕性的套用和挑戰的進展，並探討了潤濕性驅動的微流控的原理和設計方法，以及其具體套用。一些綜述強調超潤濕表面的功能或側重於展示微流體的具體套用，但這些都不是本綜述的重點。本綜述的目的是強調超潤濕性在微流控中的關鍵作用，並鼓勵該領域的未來研究與微流控領域保持一致。
2. 潤濕性理論與微流控
2.1. 潤濕性理論
了解潤濕性理論和開發超潤濕材料的實際問題，是掌握潤濕性與微流控之間聯系的基礎。因此，有必要在本節中介紹潤濕性理論和超潤濕材料的實際方面，以闡明潤濕性對微流控發展的意義。
液體在表面界面處的特性稱為潤濕性。水被用作代表性液體的一個例子，它在表面上顯示出吸重力或排斥力。這種行為的狀態可以定義為親水性或疏水性，並由表面的結構和化學性質決定。接觸角是液體對表面親和力的量度。當假設水位於理想的光滑表面上並描述其接觸角時，該模型稱為楊氏模型（圖 1）。隨著仿生學的進一步研究和發展，研究人員提出了以下基於表面粗糙度和水滴接觸狀態的疏水模型。隨著仿生學的發展，研究人員提出了以下基於表面粗糙度和水滴接觸狀態的疏水模型：Wenzel狀態（圖1c），Cassie狀態（圖1c），「Lotus」狀態（圖1c），Wenzel和Cassie狀態之間的過渡狀態（圖1c）和「壁虎」狀態（圖1c）;以及以下親水模型：微尺度狀態（圖1c）、微尺度狀態微/奈米尺度狀態（圖1c）和多孔狀態（圖1c）。
盡管結構不同，但疏水和親水模型都是由精細的表面微納結構構建的。這些精細的表面微納結構，結合表面化學，使得超濕表面的設計和超濕材料的生產在實踐中變得困難。事實上，脆弱的表面微納結構容易受到機械和化學損傷，導致不均勻的表面化學成分，從而破壞甚至失去潤濕性。盡管如此，目前的研究人員已經透過自上而下和自下而上的構造模式增加了微奈米結構的強度，以實作耐久性。然而，艱巨的準備過程和高昂的費用使可行的套用變得不太可能。另一方面，對表面微納結構制備的研究極大地促進了表面加工科學的進步和完善，使微納尺度的可潤濕結構的構建成為可能，並導致了全新加工方法的創新。不僅如此，還采用了先進的加工技術來加工表面。Xie等人報道了一種實作反應性超疏水表面的單步方法，允許透過表面光刻或表面引發的原子轉移自由基聚合透過原子轉移自由基添加來化學接枝分子文庫。這些研究為微流控的構建提供了思路。
2.2. 微流控
微流控是指使用微管操縱微小流體的系統，是一種新興的跨學科技術，涉及化學，流體物理，微電子學，生物醫學工程。由於小型化和整合化等特點，微流控器件通常被稱為微流控芯片，也稱為芯片實驗室分析系統。微流控的早期概念可以追溯到 1990 年代在矽晶片上使用光刻技術制造氣相色譜儀，後來發展成為微流控毛細管電泳儀器和微反應器。在發展過程中，突破是基於表面加工技術的進步，而不是微尺度流體力學的進步，這為目前微流控技術以潤濕性為主奠定了基礎。微流控的尺度在微納級（10 μm），流量僅受幾何長度尺度的限制，以實作這種幾何約束的方法，這使得微流控系統在潤濕性和微納尺度流體動力學存在下受到毛細管作用。微流控的關鍵特征之一是具有獨特流體特性（如層流和液滴）的微尺度環境。層流現象與亂流相反，是指流體的層流，其流線彼此平行並與管壁平行。當不同的流體從不同的入口進入同一個微通道時，即使它們混合在一起，它們也會形成分層的多相平行流。利用層流的這種幾何規律性，可以實作微通道中材料和細胞的有序排列。例如，Park等人利用層流實作了微流控通道中單壁碳奈米管的原位沈積和圖案化（圖4a）。這種方法的沈積速率可以很高，管子的覆蓋範圍可以控制在很寬的範圍內，並且管子的形狀（孤立的單個管或管束）可以由加工條件定義。該方法還與多種基材相容，不需要對試管或基材進行化學修飾。另一方面，液滴現象是指當流體的兩個不混溶相在微流體通道中流動時，流體的一個相在液/液界面張力和剪下力的影響下形成高度均勻的間斷流動。例如，Gao等人報道了一種使用微流體和生物表面活性劑控制液滴形狀的方法（圖4b）。他們探索了界面蛋白質網路的機械特性，以闡明液滴形狀守恒現象背後的機制，並使液滴穩定凝聚數月並保持非球形數小時。
圖 3.超潤濕材料的發展歷史及套用現狀.
圖 4.（a）層流的套用：構建碳管的裝置及其形貌
然而，對層流和液滴現象的研究進展有限。流體力學的檢驗尚未成功達到微米級。流體力學的研究尚未探索微米尺度。理論模型通常依賴於理想的假設，但這些條件很難在實驗中完全實作。此外，微流控實驗在小規模上進行，這可能導致以前微不足道的影響變得顯著。此外，實驗中使用的材料可能具有不均勻性，而理論模型通常假設材料是均勻的。此外，微流體通道表面的粗糙度和表面處理有可能影響流體行為，這在理論模型中可能沒有得到解釋。因此，對微流控特有現象的研究只能透過實驗驗證來完成，而不能依賴於計算預測。因此，微流控技術目前的特點是其易操作性，以及復雜的微流控裝置的制備。這代表了目前在研究微流體時潤濕性驅動的表面工程科學的缺點。盡管如此，透過全面理解微流控系統中的潤濕性現象，它有利於增強微流控技術。
簡而言之，微流體本質上是在微米尺度上操縱通道中的液滴。在這種狀態下，液滴由潤濕性和驅動系統實作運動的能量控制。由於微納尺度的流體力學尚未得到很好的建立，因此必須根據微尺度的潤濕性理論來描述該過程。接下來的兩節描述了基於潤濕性研究的微流體系統中的毛細管和動態潤濕現象。透過這種方式，將更詳細地解釋微流體與潤濕性之間的關系，以及微觀尺度的研究現狀。
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