界面对纳米尺度液滴/气泡的成核和生长机理将产生重要的影响，虽然Gibbs在百年前提出的经典临界成核理论已被普遍接受和检验，但对于微纳结构上形成的纳米液滴/气泡，由于缺乏制备较大面积且均一的周期性纳米结构的技术，其产生和形态调控机制无法深入研究。近年来，中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心张立娟研究员、基础交叉研究中心胡钧研究员团队，基于同步辐射光刻技术和先进的原子力显微技术对不同类型周期性纳米结构上的纳米液滴和气泡的生长和稳定机理展开了深入研究。前期研究发现，界面纳米气泡的产生和大小受限于纳米结构的尺寸和界面性质(Nanoscale 2017, 9 (3), 1078-1086)。
近期该研究团队利用上海光源软X射线衍射光刻线站的电子束光刻技术制备了不同周期的纳米结构，采用醇水替换法在这些有序结构上制备了纳米液滴，并通过原子力显微技术（AFM）对所形成的纳米液滴的形貌和力学性质进行了表征和分析。相关研究成果以《Wetting Behavior of Surface Nanodroplets Regulated by Periodic Nanostructured Surfaces》为题发表于美国化学学会旗下ACS Applied Materials & Interfaces 期刊（doi: 10.1021/acsami.1c17139）。
图 1 不同周期性纳米结构（条纹沟槽和纳米孔洞）上的纳米液滴AFM形貌图
研究发现在周期性纳米结构上，纳米液滴和纳米气泡一样倾向于在更疏水的条纹结构或孔洞以外区域上形成，并且其润湿行为呈现出明显的尺寸相关性（图1）。在沟槽周期性结构上，纳米液滴的横向尺寸显著受限于沟槽的宽度，并能在平行于沟槽的方向上延展，呈现出鼓包状的结构；而在空洞状周期性结构上，纳米液滴大部分出现在四个孔洞所围成区域的中心位置，表明其对纳米液滴的生长位置进行调控（图2）。
图 2 条纹状周期性结构对纳米液滴横向尺寸的调控
为阐释其稳定机理，作者进一步采用解析计算和有限元模拟等方法，对沟槽结构上液滴的形成和形貌转变进行了探究，结果表明液滴的总体积和周期结构表面的润湿特性直接决定了纳米液滴的形貌转变（图3）。作者认为同样的机理也适用于周期性纳米结构上的纳米气泡。该研究进一步阐明了有序纳米结构上纳米液滴/气泡的生成机制，可以精准调控表面纳米液滴和气泡的形态如尺寸、形貌和成核位置，为理解纳米尺度下有序周期性结构的润湿行为和相变过程提供重要的实验和理论支撑。
图 3 驱动周期性有序结构上纳米液滴的形态转变的物理机制
上海高等研究院上海光源中心的周利民和杨树敏为论文共同第一作者，张立娟研究员和胡钧研究员为通讯作者。研究还得到了上海应用物理研究所、上海师范大学、深圳先进研究院和德国Leibniz Institute of Polymer Research Dresden研究人员的帮助，国家自然科学基金委、中科院前沿科学重点研究计划和国家重点基础研究发展计划的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c17139
