自古以来，把水斩断往往比借酒消愁更加困难。即使锋利的刀剑，面对涓涓细流也显得无可奈何。不过，如果有一把无形的“刀”，情况就完全不同了。这把“无形刀”就是物体表面的特殊粘附力图案。近日，中科院化学所宋延林课题组与清华大学冯西桥、李群仰研究团队合作，在固体表面设计粘附力图案。当下落的液滴碰撞到该固体表面后，液滴能够在毫秒时间尺度内完成自发切割，成为数目可控的多个小液滴，并可在预设的位置进行沉积。
该项研究利用只有分子层厚度的“无形刀”实现了液滴的快速可控切割，并提出了液滴切割的定量化判据，在功能器件制备、组合化学及快速检测等领域具有应用前景。研究人员在低粘附的固体表面设计制备了高粘附的图案。由于该制备通过选择性分子修饰过程实现，因此整个表面的物理形貌相同，仅存在化学分子层的差异。
借助高速成像系统，研究人员发现，当液滴以一定下落速度碰撞到该固体表面后，其首先铺展成为近似圆形的液膜，并在2毫秒左右的时间内达到最大程度的铺展。随后，不同位置的液膜发生不对称的回缩，并在数毫秒时间内将液滴切割形成多个微液滴。通过对粘附力图案进行设计，可以将一个液滴切割成为不同数目且体积均匀的微液滴。并且，切割形成的微液滴能够在预设的区域进行沉积，形成微液滴阵列图案。
研究人员对该过程进行了建模和分析，发现控制液滴在固体表面行为的因素为固液之间的粘附力。通过对表面粘附力的调控，能够诱导铺展液膜产生各向异性的回缩行为。基于对该过程的分析，研究人员提出了液滴切割过程的定量化控制规律。为了研究无形“刀”切割液滴过程中的流体动力学过程，研究人员将氯化铁溶液作为待切割液滴，并在左侧的高粘附区域预先沉积硫氰化铵。硫氰化铵能够和氯化铁发生反应，产生红色络合物。
对该过程进行观测，可以看出在液滴接触图案化基底的瞬间（<1毫秒），处于左侧高粘附区域的液体内部已经出现红色络合物。随着液滴铺展以及后续切割的进行，红色络合物一直被限域在低粘附“刀刃”的左侧，不同微液滴间未发生物质交换。
基于此原理，研究人员在基底表面的四个高粘附区域预先沉积四种化学物质，当液滴滴加到该表面并通过自切割形成四个微液滴后，能够分别与四种物质发生相互独立的反应，并且能够对不同反应进行实时观测和对比。进一步，研究人员制备了具有四个检测区域及一个参比区域的污水检测芯片。当一滴污水滴加到该表面后，能够同时对污水中的多种金属离子及酸碱性等进行快速鉴定，为未来的便携式检测设备研发、组合化学等方面提供了新的思路。