在喷墨打印、喷涂、生物阵列设计和高性能电子电路制备中，惯性高速撞击液滴到尺寸精确、形状均匀的目标表面上至关重要。尤其是对于生物阵列设计，在阵列制备和样品检测过程中，稳定液滴模式并避免附近液滴的交叉污染至关重要。超疏水表面是这些应用中的最佳选择，因为它们具有优越的。自清洁和防污能力，可排斥其他材料的沉积，并具有液体限制特性，可提高打印分辨率并避免咖啡环效应。然而，撞击超疏水表面的惯性水滴会迅速弹开或剧烈溅起，不必要的反弹和溅起会造成材料浪费，并降低相关的性能和效率。人们已经进行了许多尝试，通过使用聚合物或表面活性剂来促进水滴在疏水表面的铺展。然而，这两种方法在实现液滴沉积方面仍然存在缺点，更不用说均匀铺展了：1)聚合物添加剂可以延迟液滴回缩，但会使液滴保持半球形，并且在疏水基底上材料分布不均匀。2)聚合物添加剂的润湿性差和分子量大，限制了喷墨打印过程中的喷射过程。3)表面活性剂添加剂可以降低表面张力，从而促进液滴在静态下的铺展；然而，根据开尔文-亥姆霍兹不稳定性，低表面张力会增加撞击液滴的不稳定性，导致液滴与卫星液滴一起飞溅。

本研究通过引入活性低聚表面活性剂粘附，可以在超疏水表面上实现均匀的圆形液滴铺展和高分辨率喷墨打印图案，高速撞击后不会溅出或反弹。在撞击过程中，活性低聚表面活性剂分子聚集成动态的蠕虫状胶束网络，这些胶束网络通过与表面微/纳米结构缠绕在一起而堵塞在固液界面处以固定接触线并堵塞在扩散外围以保持均匀扩散的层状形状。这种高速撞击液滴的高效均匀扩散为控制液滴撞击动力学和实现高分辨率打印开辟了一条有希望的途径。

图1.高速液滴撞击超疏水表面的动态行为。a)扫描电子显微镜(SEM)揭示了表面的微观结构。插图：水接触角为161.3±1.1°，确保超疏水性。b–e)表面活性剂的分子结构。f)撞击超疏水表面的水滴出现飞溅和反弹。g–j)分别含有SDS、N2C3/SDS、三胺/SDS和12-3-12-3-12添加剂的水滴在超疏水表面上的撞击动力学的侧面和仰视图。g,h)含有SDS或N2C3/SDS添加剂的液滴抑制了反弹，但仍会产生飞溅或后退破碎。i)含有三胺/SDS的液滴一旦与基材接触就会形成稳定的周边边缘，随后完全沉积在超疏水表面上而不会发生任何飞溅或碎裂。完全均匀的润湿膜在达到最大扩散面积后保持不变。j)合成低聚表面活性剂12-3-12-3-12添加剂对水滴的影响影响不大。溅射和反弹仍然会发生。箭头的长度表示扩散或反弹速度的变化。

图2.撞击结果的物理化学性质和相图。a,b)SDS和三胺/SDS聚集状态的示意图和低温透射电镜图像。a)单独的SDS形成小的球形胶束，用虚线矩形突出显示。b)加入三胺后，三胺/SDS形成长而密集的缠结线性胶束。c,d)在不同摩尔比R和摩尔浓度CSDS下三胺/SDS的粘度和聚集长度。在临界摩尔比或摩尔浓度之后，胶束伸长并缠结成网络结构，导致粘度急剧增加。e,f)不同R和CSDS下三胺/SDS的动态表面张力(DST)曲线。随着R和CSDS的增加，初始和平衡表面张力均显着降低。g,h)不同We数下三胺/SDS液滴撞击超疏水表面的动态行为相图。在高We下，含有三胺/SDS添加剂的液滴只有在特定的摩尔比（0.45–0.50）和特定的摩尔浓度（>20.0×10−3 m）下才能完全沉积在超疏水表面上。

图3.活性低聚表面活性剂高速撞击超疏水表面后均匀铺展的示意图。a、b)液滴包含三维缠结的蠕虫状胶束网络。c)SDS、三胺、蠕虫状胶束和具有微/纳米结构的超疏水表面的示意图。d–h)表面活性剂分子快速扩散到新形成的界面，并紧密堆积在水-空气界面。蠕虫状胶束被迫伸展以固定水。在快速扩散过程中，扩散边缘稳定且均匀。h)蠕虫状胶束的密集网络缠绕着基底的微纳米结构，三胺/SDS液滴撞击后的低温扫描电镜图像支持了这一观点，其中较大的图像显示了较小图像底部的网络。f)表面活性剂分子与基质具有很强的相互作用，蠕虫状胶束网络与基质的微/纳米结构缠绕在一起。i–m)在最终平衡状态下，致密的蠕虫状胶束存在于扩散外围并与微/纳米结构缠绕在一起。左栏中所有液滴的比例尺均为1毫米。