湖南大學(xué)王兆龍團隊：3D打印制備仿生超疏水微結(jié)構(gòu)用于微液滴操縱

自然界中的生物體為了能夠很好地適應(yīng)外界環(huán)境，在不斷進化中擁有了自己獨.特的能力。早在宋代就有詩詞“出淤泥而不染，濯清漣而不妖"，這其中描述的是“荷葉效應(yīng)"——荷葉表面由于具有特殊排列的微納米結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出對水的排斥，這種現(xiàn)象被稱為超疏水現(xiàn)象。由于具有超疏水結(jié)構(gòu)的表面在自清潔、抗腐蝕、流動減阻、油/水分離、微反應(yīng)器和液滴操縱等領(lǐng)域具有較強的應(yīng)用潛力。因此，通過“師法自然"的方法來設(shè)計并且制備出具有超疏水結(jié)構(gòu)的仿生表面發(fā)展迅速。科研工作者們已經(jīng)研究開發(fā)了許多制取具有超疏水性質(zhì)的表面的方法，然而想精確制備具有復(fù)雜形狀的仿生微結(jié)構(gòu)的方法卻不容易，并且通過單獨控制微結(jié)構(gòu)的尺寸來精確控制表面的親疏水性質(zhì)也極其重要。

彈尾蟲是一種依靠皮膚進行呼吸的節(jié)肢類昆蟲，喜愛生活在陰暗潮濕的環(huán)境中，為了適應(yīng)環(huán)境，彈尾蟲在長期的進化中在表皮逐漸形成了微蘑菇結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得彈尾蟲具有超疏液的性質(zhì)。受此啟發(fā)，湖南大學(xué)王兆龍助理教授、段輝高教授與上海交通大學(xué)鄭平院士合作，基于面投影微立體光刻3D打印技術(shù)制備了具有微蘑菇結(jié)構(gòu)陣列的超疏水表面，液滴在該表面的接觸角達到了171°，并且展現(xiàn)花瓣效應(yīng)。

圖1 仿生超疏水結(jié)構(gòu)的設(shè)計及制備（A-C）彈尾蟲光鏡圖及其表皮結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖（D-E）面投影微立體光刻3D打印技術(shù)原理圖（F-H）3D打印平板、圓柱以及微蘑菇結(jié)構(gòu)的的浸潤性對比（I）花瓣效應(yīng)

通過工藝參數(shù)優(yōu)化，該團隊通過精準調(diào)控微結(jié)構(gòu)的尺寸和間隙等物理特征參數(shù)對表面的浸潤性實現(xiàn)了可控調(diào)節(jié)，液滴在其表面上的接觸角可以從55°~171°變化。并且通過控制微蘑菇的高度有效調(diào)控表面與水滴的粘附力在71uN~99uN之間變化。

圖2. 通過精確控制微蘑菇的莖的直徑（d）、高度（h），蘑菇頭的直徑（D）、高度（H）以及相鄰蘑菇的間隙（G）可控調(diào)節(jié)表面的潤濕性。

圖3. 3D打印制備的超疏水微蘑菇結(jié)構(gòu)應(yīng)用于（A）微液滴化學(xué)反應(yīng)（C）液滴無損轉(zhuǎn)移(D-F)液滴的可控融合(B)不同結(jié)構(gòu)表面對水滴的粘附力

在此基礎(chǔ)上，團隊利用制備的仿生超疏水表面實現(xiàn)了微液滴的定向轉(zhuǎn)移和可控融合，搭建了可用于微液滴化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)臺。相關(guān)研究成果在生物醫(yī)療、分析化學(xué)以及微流控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

相關(guān)成果以題為3D-Printed Bioinspired Cassie–Baxter Wettability for Controllable Micro-droplet Manipulation的論文發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。其中論文的第一作者為湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院碩士生尹球，共同第一作者為上海交通大學(xué)博士生郭晴以及湖南大學(xué)王兆龍助理教授，共同通訊作者為湖南大學(xué)王兆龍助理教授、段輝高教授及上海交通大學(xué)鄭平院士。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c18952

來源：高分子科技