1、Chem.J.Chinese Universities,2023,44(2),2022044220220442(1/9)CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文形状记忆磁性润滑表面的制备及对超顺磁液滴的滑动操控胡栋栋1，来华1，刘宇艳1，宋颖斌1，罗欣1，张东杰1，樊志敏1，谢志民2，成中军1（1.哈尔滨工业大学化学化工学院,城市水资源与环境国家重点实验室,2.特种环境新型复合材料国家重点实验室,哈尔滨 150001）摘要 将磁性粒子与形状记忆聚合物复合,通过设计渐变式构型构筑了梯度形状磁性材料,并与润滑涂层相结合,
2、制备了一种磁性润滑表面.在磁性梯度的作用下,超顺磁液滴在表面上能够自发定向运动.借助于材料形状记忆效应对表面区域形态进行可逆调控,进一步展示了超顺磁液滴自发定向运动过程中的启停开关式控制,实现了将液滴定向自发运输与启停控制相结合.考察了磁性粒子含量对材料形状记忆性能的影响,以及区域形态调控尺寸与液滴滑动性能间的相互关系.机理分析进一步阐明磁场梯度提供的定向驱动力促使液滴定向自发输运,表面区域形态控制的可逆调控则可以在液滴运动过程中增加/消除黏滞阻力,基于两种因素的协同作用,可以实现对超顺磁液滴运动的智能操控.关键词 润滑表面；形状记忆聚合物；超顺磁水滴；定向输运；可逆调控中图分类号 O631；
3、O647 文献标志码 A doi：10.7503/cjcu20220442Magnetic Gradient Slippery Surfaces with Shape Memory Property for Smart Sliding Control of Superparamagnetic DropletHU Dongdong1，LAI Hua1*，LIU Yuyan1，SONG Yingbin1，LUO Xin1，ZHANG Dongjie1，FAN Zhimin1，XIE Zhimin2，CHENG Zhongjun1*（1.State Key Laboratory of Urban W
4、ater Resource&Environment，School of Chemistry and Chemical Engineering；2.National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Composites in Special Environments，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）Abstract A kind of magnetic material with gradient shape was prepared，which is
5、composed of magnetic particles and shape memory polymers.After further coating the dimethyl silane lubricant，we obtained a magnetic gradient slippery surface.A superparamagnetic droplet can self-transport directionally on the surface under the effect of magnetic gradient.Meanwhile，reversible control
6、 of surface morphology can be achieved based on the shape memory effect，which is favorable for on/off control of droplet sliding.Based on the above two merits，the combination of directional self-transportation and on/off sliding control was successfully achieved.In addition，we also investigated the
7、influence of magnetic particles content on the shape memory property of materials in detail and the relationship between the deformation size of surface morphology and superparamagnetic droplet sliding performance.The 收稿日期：2022-06-22.网络首发日期：2022-09-21.联系人简介：来 华,女,博士,讲师,主要从事表面浸润性方面的研究.Email:成中军,男,博士,
8、教授,主要从事表面浸润性方面的研究.E-mail:基金项目：国家自然科学基金(批准号:22075061)和城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主课题(批准号:2022TS37)资助.Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.22075061)and the State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology),China(No.2022TS37).CHEMICA
9、L JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文Chem.J.Chinese Universities,2023,44(2),2022044220220442(2/9)mechanism analysis further demonstrates that the self-transportation of superparamagnetic droplet is driven by the directional force provided by magnetic field gradient，the resistance can
10、be increased/eliminated during droplet self-transportation by the reversible control of the morphology of the surface.The synergistic effect of these two factors endows the surface with excellent manipulation of superparamagnetic droplet.Keywords Slippery surface；Shape memory polymer；Superparamagnet
11、ic droplet；Self-transportation；Reversible control受到自然界中蜘蛛丝和猪笼草表面能够使液滴自发运输现象的启发，人们开展了大量的关于液滴自发运输领域仿生功能材料的研究，如今该领域已经成为一个研究热点.受自然生物体表面梯度结构特征的启发，基于设计类似的表面微结构梯度1、表面化学组成梯度2以及表面电荷梯度3等多种手段，研究人员报道了一系列液滴自运输仿生材料.Ju等4制备了具有梯度微结构的铜丝表面，基于梯度结构表面产生的拉普拉斯压差作用展示了液滴从顶端向底端的自发运输；Sun等3制备了具有电荷梯度的超疏水表面，液滴在表面静电力作用下实现了自发运动.与常见
12、的疏水、亲水或者超疏水表面相比5，由低表面能液体填充的润滑表面因具有自愈合及低摩擦等优点而备受关注，并且在很多领域得到了广泛应用，如抗冰抗雾68、自清洁9，10、水滴收集1113、流体减阻14及热量转移15，16等.通过在润滑表面上设计具有梯度特征的表面结构或表面化学来实现液滴自发运输的研究也备受关注17.Ji等18制备了具有梯形梯度结构的铝合金润滑表面，实现了液滴的定向自运输；Tang等19使用具有压电特性的晶体LiNbO3的不同晶面与液滴接触，利用热弹性-压电相互作用产生了复杂的电势分布，实现了液滴的自发定向运动；Zhang等20报道了一种水凝胶锥形阵列表面，在锥形阵列毛细力的作用力下实现
13、了液滴从锥形底部自发向上运输.然而，在所有这些表面上，一旦液滴开始运动，就很难使其停止.事实上，除了单向自发输运，实现对液滴运动过程进行开关式启停调控同样重要，相关研究也同样吸引了许多研究人员的兴趣2123.Chen等24利用电场控制表面温度，实现了对表面微观结构中的石蜡介于固/液两种相态间的可逆调节，并且展示了液滴在表面上滑动过程的开关式控制；Guo等25制备了一种含磁性颗粒的润滑有机凝胶表面，通过引入/去除磁场，实现了对表面粗糙度的可逆控制，同时也对液滴在表面的滑动过程展现了类似的启停调控；基于偶氮苯基团的引入，Rao等26则报道了一种具有类似功能的紫外光响应润滑表面.还有一些随温度变化2
14、3，24，2732、机械拉伸3335及挤压变形36，37等方式的调控而做出类似功能响应的表面也相继得到了开发.然而这些研究都只关注了液滴的启停控制问题，如何将液滴自运输与开关式启停控制相结合，实现对液滴运输过程更高程度的智能调控还依然少有报道.磁性液滴在磁场作用下的动态控制因具有可远程操作及快速响应等优点而备受关注3841.应用超浸润表面可以避免一些诸如质量损失和交叉污染等传统液滴操控方面难以避免的问题，因此基于超浸润表面对磁性液滴的操控研究引起了越来越多的关注4244.Jiang等45利用高黏附聚苯乙烯超疏水膜展现了对磁性液滴的无损传输；Guo等46通过调节外加磁场的强度，展现了对超疏水表面
15、上磁性液滴滑动距离的精确控制；Rigoni等47证明了磁性滴液在磁性区域和非磁性区域周期性间隔排列的倾斜超润滑表面上的滑动受到周期性黏滞阻碍的作用.最近，本课题组通过外场作用实现了对超顺磁液滴在超疏水表面上滚动状态的原位调控48.可以看出，虽然相关研究已经取得了许多成果，但针对磁性液滴自发定向输运的报道还极其少见，尤其是关于同时兼具开关式启停控制的自发定向运输的报道.基于形状记忆聚合物的形状记忆效应对表面浸润性的可逆调控研究最近吸引了许多研究人员的关注49，50，但目前相关研究往往只基于单一材料的形状记忆效应，将形状记忆效应与其它材料的特征性能，如磁性等相结合，有望产生一些新的功能及应用，如对
16、磁性液滴运动的智能响应调控，然而到目前为止，相关研究报道还极少.本文将磁性粒子与形状记忆聚合物复合，通过设计渐变式形状，设计了具有梯度特征的磁性基底材料，并与润滑涂层相结合，制备了一种磁性润滑表面.在磁性梯度的作用下，超顺磁液滴在表面上能够自发定向运动.同时借助于材料形状记忆效应对表面区域形态进行可逆调控，进一步实现了超顺CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文Chem.J.Chinese Universities,2023,44(2),2022044220220442(3/9)磁液滴自发定向运动过程中的启停控制.1 实验部分1.1试剂与仪器环氧树脂（E44），南通星辰合成材料有限公司；聚醚胺（D230），分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；疏水气相纳米二氧化硅（SiO2）和二甲基硅油，分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司；超顺磁液体，杭州吉康新材料有限公司；光敏树脂，深圳市纵维立方科技有限公司；钕铁硼（NdFeB）颗粒，天津麦格昆磁有限公司.2000D5型接触角测量仪（contact angle analyzer
