PμSL 3D打印花瓣狀微結構表面實現液滴操控、油水分離和減阻

受自然生物學啟發制備的具有不同潤濕特性的功能性表面在液體收集、液滴操縱、減阻及油水分離和藥物輸送系統等領域蓬勃發展。值得注意的是，功能性拒水表面成為其中一個熱門議題。荷葉上的超疏水現象表明由親水材料制成的具有特殊微納結構的表面可以實現疏水甚至超疏水特性。因此，越來越多的研究人員致力于設計和制造獨.特的微納結構使得由親水材料組成的表面呈現出超疏水的特性，進而實現更多特定的功能。

隨著3D打印技術的逐步發展，越來越多的復雜結構如蘑菇頭狀、重入蘑菇頭狀、打蛋器狀及仿彈尾蟲表面等被設計和制備以實現一定的拒水效果。盡管相關研究提出了具有各種形狀的拒水微結構，但這些形狀大多具有蘑菇狀形式。設計3D 微結構并深入探索機理，從而進一步提高拒水及液滴承載性能仍然是一個挑戰。最近，對豬籠草的研究表明，豬籠草口緣區域微腔結構的銳利邊緣和弓形曲線具有將液體釘扎在彎曲結構上的超.強能力，該能力甚至可以克服重力。

據此，西安交通大學機械工程學院張輝副教授等提出了一種新型 3D 打印仿生超疏水花瓣狀微結構表面，其靈感來自豬籠草口緣區域的水釘扎效應。該團隊利用高精度3D打印技術(nanoArch P140，摩方精密)實現了花瓣狀微結構表面的制備。具有花瓣狀微觀結構的親水性樹脂具有宏觀超疏水性和優異的拒水性。與普通蘑菇形結構相比，優化后的花瓣狀結構承載力最大增加率為58.3%。相應的機理分析表明，鋒利的邊緣效應和弓形曲線效應是造成這種超排斥性能的原因。

然后團隊進行了對幾何特征（花瓣數量P、結構間隙S及花瓣結構占比K）對花瓣狀微結構表面液滴承載能力影響的實驗研究。覆蓋微結構數、接觸角變化和最大崩潰體積參數反映了不同參數表面的液滴承載能力。優化后的微結構陣列（花瓣數量P為4，結構間隙S為100 μm，花瓣結構占比K為0.5）與普通蘑菇形微結構相比，液滴承載力的最大增加率為58.3%。

當滴加液滴至 3D 打印花瓣狀微結構表面上時，液滴將覆蓋多個花瓣狀微結構組成的方形陣列區域。微結構頂面上的液滴呈現鋸齒形邊界。弓形曲線和花瓣狀結構的鋒利邊緣的協同作用作為能量屏障，限制了水滴的鋪展和崩潰。由于花瓣微結構材料本身具有親水性，液滴沿花瓣拉伸形成凹形液體邊界曲線，類似于液體在平行側壁中的流動情況。相似的液體邊界曲線形狀和具有銳角邊緣的弓形曲線導致花瓣狀微結構表面具有較高的水約束力。

花瓣狀微結構表面具有優異拒水性可用于超大液滴承載、微反應器、無損液滴搬運、傾斜表面液滴快速脫附、油水分離、氣泡保持和減阻等領域。

圖1 a 豬籠草口緣區域及其微腔結構；b 花瓣狀微結構表面設計及3D打印模型；c 3D打印的平面表面接觸角約為55°，具有花瓣狀微結構的表面具有宏觀超疏水性，其接觸角約為160°，即使表面倒置，水滴也會粘附在表面上。

圖2 a 液滴在花瓣狀微結構陣列的頂部沿微結構邊緣呈現鋸齒形邊界；b 液滴與微結構之間的接觸邊界示意圖；c 親水花瓣微結構拉伸液滴以及平行側壁間液體的粘附和拉伸效果。

圖3 花瓣狀微結構表面應用a超大液滴承載；b 微反應器；c 無損液滴搬運；d 傾斜表面液滴快速脫附；e 油水分離；f 氣泡保持和減阻實驗