华南师大&埃因霍温理工 Matter：利用射频交流电场控制人造皮肤分泌液体以使其表面湿润

【文章亮点】

（1）利用射频交流电场进行液体喷射。

（2）可以释放功能性的液滴。

（3）场外状态下，分泌液会进行自发的重吸收。

【背景介绍】

目前，在智能材料研究中部分致力于响应环境变化而耦合传感和驱动的材料。但是，为了使材料真正变得智能，还面临着材料与人类、器件或相互之间交换化学信息的挑战。此外，提供延长材料和器件寿命的机制，还将在机器人技术、虚拟现实和调整后的药物输送范围内提供通信和反馈机制。例如以哺乳动物的皮肤为启发，通过分泌化学物质改变其表面性质的涂层与环境相互作用，影响附着力、润湿性、温度或触摸体验。然而，大多数方法仅限于被动释放，很少报道通过触发释放与吸收再填充相结合的方式来管理体液。如今，主动分泌是由射频（RF）交变电场控制。频率范围为20 kHz-300 GHz的RF，包括无线电波和微波，是一种低能量、非电离的辐射。但是，材料科学家对射频在刺激响应性有机材料和软材料方面的潜力仍然知之甚少。

【成果简介】

基于此，华南师范大学&荷兰埃因霍温理工大学的刘丹青教授、Dirk Jan Broer院士和周国富教授（共同通讯作者）等人联合报道了一种人造皮肤，该人造皮肤由（亚）微孔薄涂层组成，可以填充致动时分泌的液体。在液体是化学物质的情况下，可以引发界面化学反应，该界面化学反应通过向反应产物提供颜色而可视化。研究发现，射频（RF）电场会影响高度有序的介电液晶聚合物网络（LCN）的材料性能。在RF交流（AC）场下，取向的极化分子会受到连续的振荡力。该人造皮肤通过（亚）微孔近晶状液晶网络的介孔电液体传输驱动的射频电信号来分泌功能性液体。聚合物网络的近晶顺序及其指向性决定了流动方向，并在预先设置的位置增强了流体向表面的输送。释放出的液体可以通过毛细管填充被皮肤吸收。具有流体活性的皮肤为机器人自动处理化学药品和药物、控制摩擦学和以流体为支撑的表面清洁开辟了新道路。研究成果以题为“Artificial Organic Skin Wets Its Surface by Field-Induced Liquid Secretion”发布在国际著名期刊Matter上。

【图文解读】

图一、RF AC场下介电液体的传输
（A）叉指电极（IDEs）的示意图；

（B）在玻璃基板上由铟锡氧化物IDEs阵列提供的面内电场；

（C）整个工作中使用的材料；

（D）在交叉偏振器之间拍摄的光学显微图像显示了初始垂直排列的介电液体1和当RF AC场打开时液体的重新排列；

（E）在（D）中给出的位置1和2处测得的分子1的迁移速度；

（F-G）通过DHM测量的表面形貌的3D图像显示介电液体传输到间隙区域，显示其相应的2D轮廓。

图二、液体分泌多孔LCN涂层
（A）2D GISAXS模式，从左到右在2 M Hz的62.0 V_rms的RF AC场下，以及在关闭RF场之后，具有制造后的初始状态；

（B）（A）的相应一维（1D）轮廓；

（C）带有有效IDEs区域指示的实际样本照片；

（D）分子1的溶剂萃取后涂层横截面的SEM图像。

图三、多种方式分析分泌过程并通过DHM测量3D表面轮廓图像
（A）初始平面；

（B）当施加RF AC场时，在涂层表面形成液滴；

（C）通过打开和关闭电场来随时间变化不同位置的表面高度；

（D）偏光光学显微图像显示了初始涂层和受到RF AC场时的涂层。

图四、影响分泌的参数
（A）电场强度对分泌物的影响；

（B）频率对分泌的影响；

（C）在各种频率下62.0 V_rms的RF AC磁场产生的热量；

（D）比较由射频电场和射频感应温度排出的液体总量。

图五、活性化学物质的分泌
（A）活性染料从涂层中排入酸性环境的示意图；

（B）酸碱反应产生颜色；

（C）在酸性环境下染料的质子化；

（D）在pH敏感染料的释放过程中吸光度的变化以及染料吸光度与释放的染料量之间的相关性；

（E）布洛芬分子；

（F）随时间释放的布洛芬量。

【小结】

综上所述，作者使用RF交流电场控制多孔聚合物涂层上的液体分泌。在场外状态下，液体可以通过网络弹性和毛细作用力可逆地重新吸收。通过在聚合之前在反应混合物中添加近晶状介孔剂来控制涂层的孔隙率。通过对释放药物等功能性液体进行了初步研究。此外，还证明了涂层通过在其表面进行化学反应而与环境相互作用。这些反应也可以在第二试剂的（再）吸收之后，最终在涂层的大部分中进行。由于聚合物的坚固特性，其功能不限于作为独立膜，还可以作为功能性涂层集成到其他设备中。不仅为机器人自动处理反应、释放药物和转移化学品开辟了新途径，而且还为改变表面的摩擦学特性或清除不需要的物质开辟了新途径。

文献链接：Artificial Organic Skin Wets Its Surface by Field-Induced Liquid Secretion（Matter, 2020, DOI: 10.1016/j.matt.2020.05.015）

团队简介

在2015年，华南师范大学和荷兰埃因霍温理工大学联合成立了响应型材料与器件集成（Device Integrated Responsive Material, DIRM）国际联合实验室。DIRM的目标是通过汇集中国和荷兰的功能材料和集成设备领域的顶尖人才，成为技术创新产业化和学术研究之间的桥梁。实验室网页：http://www.dirmlab.com/。团队在该领域工作汇总：研究固态高分子聚合物基人造皮肤，在其可变形的微米级毛孔中容纳了一个液体储层。在通过光刺激人工合成皮肤，皮肤的孔隙将减小孔的尺寸，从而将最初锁定的液体挤出皮肤表面。

相关优质文献：

Photo-responsive Sponge‐Like Coating for On‐Demand Liquid Release. Adv. Funct. Mater., 2018, https://doi.org/10.1002/adfm.201705942.

本文由CQR编译。

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