在生活中，有一種非常常見的現象：雨水衝刷後窗戶會格外乾淨。在這一現象的背後，其實是液滴移動在起作用。下雨時，雨滴落在玻璃上，受重力作用滑落，灰塵就被雨滴收集帶走了。液滴移動這一小小的過程，除了在日常生活中隨處可見外，在其它領域也有很多重要的應用。
圖1 雨滴從窗戶上滑落（圖片來自於網絡）
液滴移動能做什麼？
工農業生產中的很多領域都離不開對液滴移動的控制。比如檢測血糖時，用檢測試紙接觸血滴，血液就能在毛細力的作用下沿試紙自發輸運至血糖儀的檢測區域，實現對血糖的快速檢測。紅酒在酒杯內壁會形成一道道「酒淚」，即所謂的掛杯現象，根據「酒淚」在杯壁的下滑速度，就可以判斷紅酒中酒精和甘油等成分的含量。噴灑農藥時，人們通過各種方法防止噴灑到植物葉子上的農藥液滴從表面滑落，來充分發揮農藥的效用。
然而，當前對液滴的簡單移動控制已無法滿足特定應用中的複雜需求。比如，控制液滴進行反應的微流控技術，不僅需要移動液滴，還需要從液滴中取出微量試劑進行反應。如何實現對液滴複雜運動行為的精確控制，是液滴研究領域的熱點之一。
怎樣「玩轉液滴」？
事實上，如何實現液滴移動、切割等複雜運動行為，自然界已經給了很多啟示。許多生物都會巧妙地利用結構來控制液滴。生活在沙漠中的仙人掌，其針狀葉靠近根莖的一端較粗，朝向外側的一端較細，形成錐狀結構。清晨的霧氣在針狀葉的尖端凝結後，會在不對稱毛細力的作用下自發移動到針狀葉的底部，為根莖補充水分。有些水鳥能通過鳥喙的開合實現液滴的移動。它們張開嘴時，嘴中液滴兩側受到的壓力不同，離嘴近的一側壓力小，離嘴遠的一側壓力大，液滴在壓力差的驅動下，逐步地移動到了口中。
受到這些現象和原理啟發，中國科學院化學研究所宋延林團隊實現了液滴運動的多行為控制，不僅能移動液滴，還能對液滴進行切割、釋放和攪拌。他們使用磁場控制兩個鋼珠製成「液滴機器人」，來控制液滴。當兩個鋼珠間距較小時，鋼珠移動時會從液滴中切割出一個小液滴；適當增大間距後，鋼珠移動時會帶著液滴一起移動；進一步增大間距，鋼珠就不能拖動液滴；而且，還可以通過磁場旋轉鋼珠，實現液滴內液體的攪拌混合。
研究人員認為，實現液滴多種行為控制的難點在於如何實時改變液滴的受力。例如水滴在窗戶上滑落時，重力是驅動力，而阻力來自液滴與玻璃的粘附，這時候阻力是固定的，水滴就只能向下移動或靜止在玻璃上。而引入兩個鋼珠之後，液滴的三相線被分成了前後兩部分，阻力變成了前方阻力和後方阻力。鋼珠的間距改變時，這兩個阻力的大小也就發生了變化。間距較小時，前方的三相線較短，阻力較小，而後方三相線阻力較大。鋼珠移動時就會扯斷液滴，實現液滴切割。間距較大時，前方阻力較大，鋼珠無法拖動液滴，實現了液滴的釋放。而間距適當時，前後方阻力相匹配，液滴就能夠被鋼珠拖動。
液滴可控移動、切割、釋放和旋轉
在微流控中，除了在固體表面控制水滴外，有時還需要在其它場景下對液體進行控制。為此，研究人員將這種技術推廣到了不同體系。對鋼珠進行超疏水處理後，能夠在水下控制油滴和氣泡。利用超親水處理後的鋼珠，則可以在油下控制水滴。此外，鋼珠還可以在豎直的表面和半封閉的管道等複雜環境中控制液滴。這大大拓展了這種液滴控制技術的應用範圍。
圖2 複雜環境中控制液滴（圖片來自中科院化學研究所）
既好玩，又有用
利用這種技術，研究人員實現了液滴的自動控制。他們使用電腦編好的程序進行酸鹼中和反應。先將氫氧化鈉液滴、酸鹼指示劑液滴和鹽酸液滴分別放在基底上。控制小球從氫氧化鈉液滴中切割出一個小液滴移動到酸鹼指示劑中。攪拌混合後，液滴因為鹼性而變為粉紅色。然後，又從鹽酸液滴中切割一個小液滴移動到酸鹼指示劑中。攪拌混合後，氫氧根離子與氫離子發生了中和，液滴又恢復成無色。這種技術可望實現自動化的生物化學反應。當在對有毒有害試劑進行處理時，這種技術可避免操作人員與試劑直接接觸，大大降低發生意外的風險。而且，除了自動化反應以外，這種技術在血管清淤、結石收集等臨床醫學方面也具有廣泛的應用前景。
控制液滴實現自動化化學反應
原標題：玩轉液滴
來源：中國科學院化學研究所，轉載自中科院之聲公眾號
編輯：Kun
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