在噴墨打印、噴塗、生物陣列設計和高性能電子電路製備中，慣性高速撞擊液滴到尺寸精確、形狀均勻的目標表麵上至關重要。尤其是對於生物陣列設計，在陣列製備和樣品檢測過程中，穩定液滴模式並避免附近液滴的交叉汙染至關重要。超疏水表麵是這些應用中的最佳選擇，因為它們具有優越的。自清潔和防汙能力，可排斥其他材料的沉積，並具有液體限製特性，可提高打印分辨率並避免咖啡環效應。然而，撞擊超疏水表麵的慣性水滴會迅速彈開或劇烈濺起，不必要的反彈和濺起會造成材料浪費，並降低相關的性能和效率。人們已經進行了許多嚐試，通過使用聚合物或表麵活性劑來促進水滴在疏水表麵的鋪展。然而，這兩種方法在實現液滴沉積方麵仍然存在缺點，更不用說均勻鋪展了：1)聚合物添加劑可以延遲液滴回縮，但會使液滴保持半球形，並且在疏水基底上材料分布不均勻。2)聚合物添加劑的潤濕性差和分子量大，限製了噴墨打印過程中的噴射過程。3)表麵活性劑添加劑可以降低表麵張力，從而促進液滴在靜態下的鋪展；然而，根據開爾文-亥姆霍茲不穩定性，低表麵張力會增加撞擊液滴的不穩定性，導致液滴與衛星液滴一起飛濺。

本研究通過引入活性低聚表麵活性劑粘附，可以在超疏水表麵上實現均勻的圓形液滴鋪展和高分辨率噴墨打印圖案，高速撞擊後不會濺出或反彈。在撞擊過程中，活性低聚表麵活性劑分子聚集成動態的蠕蟲狀膠束網絡，這些膠束網絡通過與表麵微/納米結構纏繞在一起而堵塞在固液界麵處以固定接觸線並堵塞在擴散外圍以保持均勻擴散的層狀形狀。這種高速撞擊液滴的高效均勻擴散為控製液滴撞擊動力學和實現高分辨率打印開辟了一條有希望的途徑。

圖1.高速液滴撞擊超疏水表麵的動態行為。a)掃描電子顯微鏡(SEM)揭示了表麵的微觀結構。插圖：水接觸角為161.3±1.1°，確保超疏水性。b–e)表麵活性劑的分子結構。f)撞擊超疏水表麵的水滴出現飛濺和反彈。g–j)分別含有SDS、N2C3/SDS、三胺/SDS和12-3-12-3-12添加劑的水滴在超疏水表麵上的撞擊動力學的側麵和仰視圖。g,h)含有SDS或N2C3/SDS添加劑的液滴抑製了反彈，但仍會產生飛濺或後退破碎。i)含有三胺/SDS的液滴一旦與基材接觸就會形成穩定的周邊邊緣，隨後完全沉積在超疏水表麵上而不會發生任何飛濺或碎裂。完全均勻的潤濕膜在達到最大擴散麵積後保持不變。j)合成低聚表麵活性劑12-3-12-3-12添加劑對水滴的影響影響不大。濺射和反彈仍然會發生。箭頭的長度表示擴散或反彈速度的變化。

圖2.撞擊結果的物理化學性質和相圖。a,b)SDS和三胺/SDS聚集狀態的示意圖和低溫透射電鏡圖像。a)單獨的SDS形成小的球形膠束，用虛線矩形突出顯示。b)加入三胺後，三胺/SDS形成長而密集的纏結線性膠束。c,d)在不同摩爾比R和摩爾濃度CSDS下三胺/SDS的粘度和聚集長度。在臨界摩爾比或摩爾濃度之後，膠束伸長並纏結成網絡結構，導致粘度急劇增加。e,f)不同R和CSDS下三胺/SDS的動態表麵張力(DST)曲線。隨著R和CSDS的增加，初始和平衡表麵張力均顯著降低。g,h)不同We數下三胺/SDS液滴撞擊超疏水表麵的動態行為相圖。在高We下，含有三胺/SDS添加劑的液滴隻有在特定的摩爾比（0.45–0.50）和特定的摩爾濃度（>20.0×10−3 m）下才能完全沉積在超疏水表麵上。

圖3.活性低聚表麵活性劑高速撞擊超疏水表麵後均勻鋪展的示意圖。a、b)液滴包含三維纏結的蠕蟲狀膠束網絡。c)SDS、三胺、蠕蟲狀膠束和具有微/納米結構的超疏水表麵的示意圖。d–h)表麵活性劑分子快速擴散到新形成的界麵，並緊密堆積在水-空氣界麵。蠕蟲狀膠束被迫伸展以固定水。在快速擴散過程中，擴散邊緣穩定且均勻。h)蠕蟲狀膠束的密集網絡纏繞著基底的微納米結構，三胺/SDS液滴撞擊後的低溫掃描電鏡圖像支持了這一觀點，其中較大的圖像顯示了較小圖像底部的網絡。f)表麵活性劑分子與基質具有很強的相互作用，蠕蟲狀膠束網絡與基質的微/納米結構纏繞在一起。i–m)在最終平衡狀態下，致密的蠕蟲狀膠束存在於擴散外圍並與微/納米結構纏繞在一起。左欄中所有液滴的比例尺均為1毫米。