ACS AMI：3D打印仿生功能器件實現(xiàn)微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)水下自清潔

更新時間：2023-02-17

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金魚藻具有獨(dú)。特的莖和葉的氣孔，其莖葉呈帶狀，寬度小于0.5 mm，有利于在日照和空氣有限的情況下有效進(jìn)行光合作用（圖1a-c）。此外，金魚藻莖葉上的氣孔不僅能與周圍環(huán)境交換氣體進(jìn)行呼吸，還能阻止外界水流的流入，這對金魚藻在水下的生存至關(guān)重要。

圖1. 一種仿生功能開放細(xì)胞。(a)金魚藻。(b)金魚藻表面覆蓋著獨(dú)。特的氣孔。(c)金魚藻表面單氣孔示意圖。(d)利用PμSL 3D打印技術(shù)制備仿生開孔細(xì)胞。

受此啟發(fā)，湖南大學(xué)王兆龍副教授、段輝高教授與中科院理化所董智超研究員，東南大學(xué)陳永平教授及上海交通大學(xué)鄭平院士合作，在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發(fā)表了題為“Underwater unidirectional cellular fluidics"的文章。該文章利用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S140，摩方精密)制備了原樣品。在經(jīng)過處理后，形成了外表面超親水和內(nèi)表面疏水的多孔仿生微結(jié)構(gòu)（特征尺寸400微米），其不同接濕潤性產(chǎn)生的拉普拉斯力（圖2）保證了多孔仿生微結(jié)構(gòu)的液體單向性能，這使液體被多孔仿生微結(jié)構(gòu)阻擋在外，而在多孔仿生微結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體和氣體能被排出。此外，多孔仿生微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對其獨(dú)。特的單向流態(tài)性能有很大的影響。該團(tuán)隊也從理論上揭示了液體在3D打印多孔仿生微結(jié)構(gòu)中的單向滲透機(jī)理。最終，還展示了多孔仿生微結(jié)構(gòu)在水下厭氧化學(xué)反應(yīng)的潛在應(yīng)用。這種多孔仿生微結(jié)構(gòu)為水下化學(xué)和微流體工程的潛在應(yīng)用打開了一扇大門，如易燃材料的儲存、快速固液分離和厭氧化學(xué)反應(yīng)。

圖3.仿生網(wǎng)格在水下的單向流態(tài)特性研究。(a)水穿透孔的示意圖。(b)不同情況下微孔的水接觸線。(c)微孔外水滴的拉普拉斯壓力。(d)仿生網(wǎng)格的單向滲透示意圖。(e)水下細(xì)胞流體性能測試模型。(f)兩個孔之間的距離對單向流體性能的影響。(g)孔寬對單向流態(tài)性能的影響。

實驗結(jié)果表明，由于毛細(xì)力的作用(圖3a-ⅰ)，水在孔的末端以較高的速度上升(圖3a-ⅱ)。而由于慣性作用，水將會在達(dá)到出口之后繼續(xù)上升(圖3a-ⅲ)，同時，拉普拉斯壓力隨著孔口液滴彎月面曲率減小而逐漸增大。當(dāng)拉普拉斯壓力達(dá)到最大時，如果水的動能使動態(tài)接觸角大于表面前進(jìn)接觸角，水將會從孔中溢出(圖3a-c)。因此，鑒于內(nèi)表面具備疏水性，水不能滲透到多孔仿生微結(jié)構(gòu)內(nèi) (圖3d-ⅰ)。相反，由于另外一側(cè)是超親水表面，最大拉普拉斯力接近0，水將從多孔仿微結(jié)構(gòu)疏水側(cè)滲透到親水側(cè)(圖3d-ⅱ)，從而使得該仿生結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的單向液體穿透能力。

多孔仿生微結(jié)構(gòu)在水下的單向滲透性能由仿生網(wǎng)格結(jié)構(gòu)失去單向性前的最大水深來表征(圖3e-ⅰ)。矩形孔在水下的單向流控性能最好，而三角形孔仿生膜的性能最差。此外，微結(jié)構(gòu)厚度對仿生膜單向流控性能也有較大的影響，在100 μm至1000 μm范圍內(nèi)，仿生膜的可持續(xù)水深隨膜厚的增加而增加。但隨著膜厚的增加，可承受水深將保持在75 mm左右。兩孔間距、孔寬對仿生膜水下單向流控性能的影響分別如圖3f、g所示。對于150 μm孔，多孔仿生微結(jié)構(gòu)的可承受水深僅為10 mm左右。當(dāng)孔徑為300 μm左右時，可承受水深隨著孔間距的增加迅速增加，達(dá)到 45 mm左右。之后，隨著兩孔間距的增加，可承受水深緩慢增加(圖3f)。

圖4. 水下仿生細(xì)胞內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。(a)水下仿生細(xì)胞。(b)液滴滴在仿生細(xì)胞內(nèi)表面時，仿生細(xì)胞的排水特性。(c)液滴滴在仿生細(xì)胞外表面時的拒水性能。(d)0.5mol?L^-¹NaHCO₃與0.5mol?L^-¹H₂SO₄在仿生細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。(e)0.5mol?L^-¹FeSO₄與0.5mol?L^-¹NaOH在充滿CO₂的仿生細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。(f)我們的仿生細(xì)胞在水下的自清潔性能。

基于仿生網(wǎng)格的優(yōu)異液體單向通過特性，研究人員設(shè)計了微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成的封閉仿生細(xì)胞腔體。該仿生腔體具有疏水的內(nèi)壁面及超親水的外壁面，從而使得外側(cè)的水在一定條件下無法穿過多孔仿生網(wǎng)格進(jìn)入仿生細(xì)胞腔體內(nèi)，從而形成水下密閉空間。該仿生細(xì)胞腔體被應(yīng)用于微反應(yīng)器(圖4a-c)。研究結(jié)果表明，由于網(wǎng)格微米孔的存在，產(chǎn)生的氣體可以自由出入仿生細(xì)胞(圖3a-ⅲ)，并且可在水下形成無氧環(huán)境，進(jìn)而可實現(xiàn)保護(hù)氣作用下的特殊化學(xué)反應(yīng)。最重要的是，由于仿生網(wǎng)格獨(dú)。特的液體單向特性，該仿生細(xì)胞在反應(yīng)結(jié)束后會快速排出腔體內(nèi)的所有液體，具有極為優(yōu)異的水下自清潔特性。

該項研究成果獲得國家自然科學(xué)基金委，湖南省優(yōu)秀青年基金，廣東省重大專項及國防科工局民用航天項目等研究項目支持，以“Underwater unidirectional cellular fluidics"為題發(fā)表于國際知。名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》,14,7 (2022) 9891–9898，其中，湖南大學(xué)謝明鑄碩士生為第一作者。