学术科研

水滴滴在荷叶上会变成水珠滚落。那为什么水滴滴在普通树叶上会摊成一大片呢？这其中的奥秘是什么？今天的推文主角可不一般，他是大片频出的摄影爱好者，你也许早在官微下注意到他的署名。而他更是一名潜心探索的科研工作者，相机也是他的科研利器，一起来看他最近的研究成果吧！


一、“水滴”是当前的研究热点

微液滴中的物质聚集和化学反应相比普通液体环境有着独特的优势。科学家发现，很多原本在液体中难以进行的化学反应，在微米级小液滴中可以自发发生，甚至可以被加速到原本的一百万倍。而且液滴的尺寸越小，这些现象越明显。实际应用中，控制微液滴的大小、形状，
以及接触角（液滴边界和材料接触的角度）对化学反应以及自组装过程影响很大。但液体没有固定“形状”，产生液滴不难，难的是实现对液滴的精准控制，甚至批量“制造”出大小均匀，
形状相同的液滴。

二、
微纳加工让液滴“乖乖听话”

物理科学与技术学院林冬冬特聘副研究员与合作者通过微纳加工技术在表面拓扑结构调控微液滴的研究方面取得新进展，相关研究论文以“Topological wetting states of microdroplets on closed-loop structured surfaces: Breakdown of the Gibbs equation at the microscale”为题发表在国际著名期刊PNAS上。

实验中，
研究人员发现在超亲水微结构表面上（本征接触角为0度时），无论闭环结构的形状如何，水滴在边界的最大接触角均远大于吉布斯方程预测的数值。
水滴的接触角甚至可以比预测值大40度以上。这意味着，预测宏观条件下液滴和材料接触角的经典吉布斯方程在微观领域尤其拓扑浸润现象中可能不再适用。对微结构表面加工和处理，研究人员为精确控制闭环结构的边界角（90度）、如何产生可控的超亲水表面摸索了很久。最终，研究人员利用光刻微加工和表面处理技术设计出微米级的多种闭环微结构，
验证了前期理论模拟提出的“拓扑浸润态”。该联合团队发现，微结构表面液滴的接触角可以通过控制液滴增加量在大范围内调控。

值得一提的是，前期的审稿人给研究人员提了许多宝贵的意见和建议，特别是提醒了他们关于边界最大接触角的反常问题。为确定这一现象，研究人员进行了各类实验测试的反复验证。在确认存在这一现象后，
他们结合分子动力学模拟，
揭示了实验和吉布斯方程预测的偏差，来源于液滴和表面相互作用以及表面边界原子结构的综合影响。
具体深入的理论机制还需未来更深入的探讨。
与之相比，该研究的另一个亮点是除水之外，在实验中发现异丙烷、乙醇、癸烷和辛烷等液滴也表现出相似的“拓扑浸润”现象。

该论文中，林冬冬博士、许文武教授和王世娴博士（国家纳米中心）为共同第一作者，高玉瑞研究员（国家纳米中心）、曾晓成教授（香港城市大学）和Joseph S. Francisco教授（宾夕法尼亚大学）为共同通讯作者，合作者还有北京师范大学方维海院士和方业广博士、复旦大学蒋最敏教授和杨新菊教授、LETOULETOU段香梅研究员、赵文辉教授、李培博士和本科生陈宇豪同学。

该工作得到了国家自然科学基金、LETOULETOU王宽诚基金和钱学森天体化学与空间生命科学研究中心基金等的支持。

三、微液滴在各方面应用广泛

在生物上，微液滴形成的蛋白质凝聚液滴对理解生命起源和相关疾病的形成至关重要。在化学上，
微液滴是良好的化学反应容器，
拥有超快的反应速率和载体输运作用。
在生产生活中，
微液滴还与飞机等物体的除冰除雾相关，也与高保真印刷、打印等息息相关。

林冬冬博士简介：林冬冬博士本科毕业于LETOULETOU应用物理专业，博士毕业于复旦大学凝聚态物理专业。于2017年入职LETOULETOU物理学院，
期间往苏黎世联邦理工学院做访问学者。现为LETOULETOU特聘副研究员。
林冬冬博士主要从事生物物理方面的实验研究，包括与阿尔兹海默症相关的淀粉样蛋白自组装研究，基于光谱识别的早期阿尔兹海默症诊断，以及基于淀粉样蛋白自组装的液液相变研究。近几年以第一作者和合作作者在PNAS、Nature Communications、
Science Advances、ACS nano、Advanced Functional Materials等著名期刊发表论文数篇。