仿松針多級(jí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)超疏水表面多尺度液滴定向輸運(yùn)——摩方精密

更新時(shí)間：2022-06-15

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液滴的自發(fā)定向輸運(yùn)在芯片實(shí)驗(yàn)室、能源電力系統(tǒng)、油氣輸運(yùn)、水收集和除濕等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，其主要取決于表面形貌結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的非對(duì)稱性，具體表現(xiàn)為浸潤(rùn)性梯度、各向異性結(jié)構(gòu)和曲率梯度等。液滴輸運(yùn)的速度和距離是判定輸運(yùn)效率的有效指標(biāo)。合理的設(shè)計(jì)并制備表面結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)快速、長(zhǎng)程的液滴自發(fā)定向輸運(yùn)的有效方法。然而，傳統(tǒng)的加工技術(shù)加工精度較低、加工結(jié)構(gòu)單一，很難滿足結(jié)構(gòu)性能要求。

近日，大連理工大學(xué)馮詩(shī)樂(lè)副教授，受松針表面多級(jí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)啟發(fā)，使用深圳摩方材料科技有限公司PμSL 3D打印技術(shù)（nanoArch® S140），制備了仿松針多級(jí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了快速、長(zhǎng)程的液滴自發(fā)定向輸運(yùn)。該研究以“Tip-inducedflipping of droplets on Janus pillars: from local reconfiguration to globaltransport"為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《ScienceAdvances》上，為液滴的定向輸運(yùn)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路。論文第一作者為大連理工大學(xué)馮詩(shī)樂(lè)副教授，通訊作者為香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授和巴黎高等物理化工學(xué)院David Quéré教授。

圖1 松針和仿松針多級(jí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面的形貌結(jié)構(gòu)特征

圖2 仿松針多級(jí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面的形貌結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)控

要點(diǎn)：研究者借鑒松針表面結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)并制備包括第一級(jí)的傾斜陣列結(jié)構(gòu)、第二級(jí)的高度梯度結(jié)構(gòu)和第三級(jí)的平面/曲面組合的半錐形結(jié)構(gòu)的仿松針多級(jí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面。上述表面（圖1）由nanoArch S140微尺度3D打印設(shè)備加工，使用材料為HTL耐高溫樹(shù)脂，打印層厚為10微米。陣列間距為300微米，尖.錐傾斜角度β為70°，高度梯度α為20°，尖.錐頂端大小為10-20微米。在打印過(guò)程中，通過(guò)精密刮刀刮除細(xì)小的氣泡，來(lái)保障加工質(zhì)量。同時(shí)，研究者還設(shè)計(jì)了僅包含傾斜陣列結(jié)構(gòu)和半錐形結(jié)構(gòu)的對(duì)照樣品，與僅包含傾斜陣列結(jié)構(gòu)和高度梯度結(jié)構(gòu)的對(duì)照樣品。通過(guò)nanoArch S140微尺度3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了包括傾斜、高度梯度及平/曲面組合的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)表面參數(shù)的精確調(diào)控及大規(guī)模制備（圖2）。

圖3 仿松針多級(jí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面微液滴自發(fā)定向輸運(yùn)

圖4 仿松針多級(jí)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)尖.端效應(yīng)

要點(diǎn)：在凝結(jié)過(guò)程中，液滴先隨機(jī)在表面凝結(jié)，然后向尖.端匯聚，然后尖.端液滴會(huì)在合并過(guò)程中重新配置，并從半錐形結(jié)構(gòu)的平面旋轉(zhuǎn)到曲面位置，隨后合并的液滴會(huì)沿著高度增加的方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從微觀到宏觀的多尺度液滴的定向輸運(yùn)，其液滴定向輸運(yùn)的速度可以達(dá)到10 cm/s。研究者發(fā)現(xiàn)液滴在合并過(guò)程中重新配置是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的尖.端效應(yīng)導(dǎo)致的，并通過(guò)建立能量變化模型證明，當(dāng)液滴尺寸大于結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，液滴坐落于平面的系統(tǒng)能量大于坐落于曲面上的系統(tǒng)能量，從而揭示了液滴從平面向曲面運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。研究者發(fā)現(xiàn)毫米級(jí)的液滴在合并過(guò)程中依然會(huì)從平面運(yùn)動(dòng)到弧面上，證明非對(duì)稱結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的尖.端效應(yīng)普遍適用于各種尺度的液滴。