由雙尺度懸垂鋸齒結構實現的選擇性液體擇向

文章導讀

自1805年托馬斯·楊提出表界面浸潤性理論的兩百多年以來，在研究者的傳統認知中，在無外部能量輸入的情況下，液體在固體表面的傳輸方向是明確的，即主要由材料表面結構決定而不會隨液體的本征性質的變化而發生改變。比如在非對稱的結構表面，水和酒精都可能發生單向傳輸，但其傳輸方向是一致的。而最近的研究發現，南洋杉葉片的多曲率結構特征使其具備讓不同液體自主擇向的功能，研究者由此研發了一種亞毫米級具有橫向和縱向雙重曲率的3D毛細鋸齒結構用于調控不同表面張力的液體鋪展模式，實現了同一表面上流體的自主擇向。然而，制備這種復雜的結構需要結合3D打印和拋光后處理來消除打印過程中所產生的微槽狀粗糙結構，使得表面盡可能的光滑以滿足設計的曲率要求，流程繁復且拋光操作可能損壞精細的結構，不利于實際應用。因此，進一步簡化結構和制備工藝，同時保持液體擇向的功能尤為重要。近期，香港理工大學機械工程系王鉆開教授課題組在SCI期刊《極。端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表《由雙尺度懸垂鋸齒結構實現的選擇性液體擇向》的研究論文，研發了一種可通過3D打印一步制備的雙尺度鋸齒結構來實現液體擇向的技術，并通過調控其中二級微槽結構的取向實現了對液體流向的進一步操控，增進了我們對流體流動與固體結構之間相互作用的理解，并為流體操控的廣泛應用提供了新思路。

\ 關鍵詞 /

液體鋪展；懸垂鋸齒；雙尺度結構

\ 亮  點 /

簡化結構設計并通過3D打印一步制備了懸垂鋸齒結構以實現液體擇向；

利用3D打印逐層固化的特性制備了可調多尺度結構；

通過調控二級結構的取向實現了對液體流向的操控。

研究背景

控制液體在固體表面上的定向傳輸對于各種工業應用至關重要，例如油水分離、集水、熱管理及微流控等。液體的定向傳輸現象在自然界中也普遍存在，許多生物表面，例如沙漠甲蟲的背部、蜘蛛絲和鳥嘴都具有定向輸送液體的能力，這得益于其特殊的表面結構或化學性質。近年來，許多研究者試圖通過控制非對稱微/納米結構、潤濕性梯度或輸入外部能量來模仿這種液體的定向運動。無一例外，在之前的研究中，液體的流向是由材料表面結構或者外部刺激決定而與液體本征性質無關。最新研究表明，在不改變表面結構和無能量輸入的前提下，不同表面張力的液體也可自主選擇其運動方向，這是通過設計和制備仿南洋杉的3D毛細鋸齒結構來實現的。這種復雜的雙重曲率鋸齒結構可通過3D打印來制備，但由于3D打印層級固化的特性，不可避免地會產生微槽狀粗糙結構，需要進一步使用拋光處理以達到設計要求。

最新進展

文章首先設計了一種可通過3D打印一步制備的雙尺度鋸齒結構，如圖1所示。該結構宏觀上呈現為亞毫米級A形傾斜鋸齒，頂部修飾有懸垂結構，微觀上，整個結構表面覆有周期性排列的微米級槽，微槽的排列方向可以通過控制打印參數來調控，圖1c和1d中微槽的排列方向分別垂直和平行于鋸齒傾斜方向。

圖1 （a）數字光處理3D打印裝置示意圖；（b）雙尺度懸垂鋸齒結構的俯視和側視掃描電鏡圖(SEM);（c, d）微槽分別垂直和平行于鋸齒傾斜方向的雙尺度懸垂鋸齒結構的SEM圖。

圖2 （a，b）液體在微槽垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結構上分別向前和向后鋪展的動態圖；（c）液體鋪展距離隨時間的變化圖；（d）不同表面張力的液體在微槽垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結構上鋪展方向的相圖。

當將本征接觸角約為60o的乙醇/水混合溶液（乙醇質量分數為9%）持續注入微槽排列方向垂直于鋸齒傾斜方向的結構上時，液體沿著結構傾斜的方向向前鋪展，而當同樣的液體注入微槽排列方向平行于鋸齒傾斜方向的結構上時，液體沿著與結構傾斜相反的方向向后鋪展（圖2），這種現象表明二級微槽結構可用于調控液體的流動方向。圖2d為不同接觸角的液體在微槽分別垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結構上鋪展方向的相圖。總體上，本征接觸角介于40o-60o之間的液體在這兩種結構上表現出了不同的流向，而接觸角更大或者更小的液體則對微槽的取向并不敏感，在這兩種結構上的鋪展方向基本一致。這種結果說明微槽的取向僅對具有適度潤濕性的液體的鋪展動態起主導作用。當液體的接觸角較大時，在這兩種微槽結構上均難以鋪展，因此鋪展動態主要由宏觀結構決定，而當液體的接觸角過小時，液體鋪展得太快以至于完。全覆蓋了結構，最終在兩個表面上均表現為雙向鋪展。

圖3 （a，b）液體在微槽垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結構上分別向前和向后鋪展的機理示意圖。

文章進一步從理論上分析了微槽取向對液體微觀流動的影響（圖3）。當微槽排列方向垂直于鋸齒傾斜方向時，階梯狀的微槽可被視為延遲閥以減緩液體向后的鋪展，而鋸齒尖。端的懸垂結構又可釘扎住液體阻礙其向前流動，因此液體在這種結構上的鋪展方向取決于微槽和懸垂尖。端之間作用力的競爭。與之相對地，平行于鋸齒傾斜方向的微槽由于毛細作用可以促進液體在鋸齒側面的鋪展，因此相對于垂直于鋸齒傾斜方向的微槽，這種取向的微槽更有利于液體向后鋪展。

圖4 （a，b）液體在微槽垂直和平行于鋸齒傾斜方向的結構上鋪展過程的模擬結果。（c）液體鋪展距離隨時間的變化圖。

為了驗證微槽的取向對液體流動的作用，文章采用Fluent模擬了相同液體在單個鋸齒結構上的鋪展動態。如圖4所示，在微槽排列方向平行于鋸齒傾斜方向的結構上，液滴鋪展得更快更遠，因而證實了與鋸齒傾斜方向平行排列的微槽更有利于液體向后鋪展。

未來展望

控制液體定向傳輸在微流控系統、化學反應器以及油水分離等領域具有很大的應用前景，為了進一步優化結構設計以滿足實際應用，仍需對液體鋪展的微觀動態和機理進行更深入的研究，如使用*的可視化工具來揭示液體和固體結構如何在微觀尺度上相互作用。此外，仍需進一步拓展材料的功能以面向復雜的應用場景，如向材料中添加功能性或響應性的成分。盡管3D打印技術可實現多尺度復雜結構的制備，但是結構的加工精度與制造效率之間仍互相制約，因此，需要開發其它的制備工藝，比如軟刻蝕來提高制造效率并拓展材料體系。