微滴在化学、材料科学和生物化学领域有着广泛的应用，特别是在化学工程和生化微流体领域，如微反应器和生物传感器。实现对微滴形状、尺寸和接触角(CA)的精确控制对于精确控制印刷/涂层图案和化学反应等应用尤其重要。
目前的研究利用毛细管和微柱结构化表面的边缘效应来实现液滴的某些多边形图案。然而，当给定特定的液体/材料组合时，特别是对于超亲水(或完全润湿)表面，可实现的接触角受到通常用于获取粗糙表面上大液滴的CA的传统吉布斯方程的限制。微滴的接触形状限于某些多边形。实现对任意形状和各种CA的微滴的精确控制长期以来一直是一个挑战。
在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，中国科学院国家纳米科学中心高玉瑞教授团队与香港城市大学曾晓成教授合作，宾夕法尼亚大学的FranciscoJosephS.教授采用光刻技术和后续加工，制造了一类具有同心闭环微壁/微通道的结构化表面，可以精确控制具有宽范围CA和高形状的微滴和模式可调性。
基于“拓扑润湿状态”的概念，研究人员利用光刻技术设计了具有同心斜方闭环微壁/微通道的各种表面。这些表面呈现出90°的精确微壁边缘角，并且通过应用紫外线/臭氧处理，实现了0°的固有接触角。在这些具有闭环结构的表面上，观察到拓扑润湿状态。
由于表面结构的闭环拓扑，微滴表现出多种Wenzel态，其三相接触线固定在微壁的外边缘。CA可在0至130°范围内广泛变化。通过设计同心微壁的形状，还可以有效控制微滴的接触面积和尺寸，不仅可以形成圆形、三角形、正方形等规则形状，还可以形成心形等不规则图案。
此外，研究人员还将控制扩展到了CA维度。他们提出通过利用液滴蒸发和闭环几何结构，在广泛的范围内(从0到>130°)进行控制，特别是对于本质上完全润湿的表面/液体组合。
有趣的是，研究人员发现了一种润湿现象，挑战了描述液滴边界的传统吉布斯方程：无论闭环结构的形状如何，微液滴的最大CA保持稳定在130°左右，很大程度上偏离了角度基于宏观边缘效应的吉布斯方程预测的极限。
这一发现表明，传统上用于获取粗糙表面上大液滴的CA的吉布斯方程可能不适用于微米或纳米尺度。这一结论适用于各种液体，包括本研究中考虑的异丙醇、乙醇、癸烷和辛烷。
通过独立的分子动力学模拟，研究人员将这种与吉布斯方程预测的巨大偏差归因于水-表面相互作用和边缘原子结构的累积效应。他们建议在吉布斯方程中添加一个修正项来解决明显的偏差。
“这项工作展示了具有良好控制的正交边缘的闭环微结构，能够对液滴的接触角和边缘角进行比较分析。它提供了关于在微米或纳米尺度上修改吉布斯方程的必要性的汇编证据，以及所获得的结果可以精确控制的液滴为液滴的精确测量提供了可能。
高教授说：“这对于在微流控、化学反应和生物传感等领域开发可控微滴具有重要意义，为材料制造和绿色合成提供了新的机遇。”