近日，中國科學院國家納米科學中心研究員高玉瑞、香港城市大學講席教授曾曉成及美國賓夕法尼亞大學講席教授Joseph S. Francisco等提出了微液滴調控方法，發現了微觀尺度下宏觀液滴接觸角的吉布斯方程失去了適用性。相關研究成果以Topological wetting states of microdroplets on closed-loop-structured surfaces: Breakdown of Gibbs equation at microscale為題，發表在《美國國家科學院院刊》 （PNAS）上。
微液滴在化學、材料科學、生物化學和綠色合成等領域應用廣泛，特別是在化學工程和生物化學微流體領域如微反應器和生物傳感器等。在這些應用中，制造出均勻且可控的液滴十分重要。尤其在新興的微液滴化學領域，化學過程取決于微液滴表面特性。鑒于微液滴在綠色合成領域展現出的應用價值，精準調控微液滴成為實現對化學反應精細調控的關鍵。
該團隊在前期提出的“拓撲浸潤”概念的基礎上，通過光刻技術，制備了一類具有同心閉環微壁/微通道結構的表面，其微壁邊緣角精確為90°。研究發現，結合紫外/臭氧處理，該表面的本征接觸角達到0°。在這樣的閉環結構表面上，研究觀察到拓撲浸潤現象。這些微液滴展現出多樣化的Wenzel態，其三相接觸線釘扎在微壁的邊緣，接觸角可以在較寬范圍（0~130°）變化。上述研究提供了全新的微液滴調控手段，能夠實現對微液滴尺寸、形狀和接觸角的精準調控。這一調控方法的特色在于全方位、大尺度的調控能力。通過設計同心微壁的形狀，可以有效地控制液滴接觸面積的大小和形狀，如圓形、三角形、正方形、矩形、五邊形、六邊形、八邊形和十二邊形，甚至是不規則的心形，并適用于多種液體。
該研究發現了突破傳統吉布斯理論邊界的浸潤現象。無論閉環結構的形狀如何變化，水滴的最大接觸角始終穩定在約130°。這超出了基于邊緣效應的吉布斯方程所預測的數值。研究表明，在微觀尺度下，宏觀液滴接觸角的吉布斯方程可能不再適用。研究通過分子動力學模擬發現，這種偏差源于水滴與表面的相互作用以及表面邊緣原子結構的綜合影響。關于這一現象的具體理論機制仍需更深入的研究。
