江蘇大學張忠強課題組：縱橫織構錐體表面液滴雙模式自運輸和水收集

更新時間：2023-12-04

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液滴自運輸對自然界中許多動植物的生存起著至關重要的作用，而自運輸速度和距離一直是評價液滴運輸效率的關鍵指標。雖然，通過結構設計、表面處理等手段將液滴的自運輸速度提高到了數十毫米/秒量級，但由于液滴與織構基底特征尺寸的匹配問題，制約了多尺度液滴高效自運輸的實現。此外，織構基底表面缺陷和粘滯作用往往也會造成液滴的滯留或產生殘留水層，這會阻礙霧滴在基底表面沉積，從而降低霧水收集效率。因此，如何實現多尺度液滴的超快速、長距離無損自運輸仍然是一個挑戰。

針對上述問題，近期江蘇大學張忠強教授團隊制備出了一種帶有橫向梯度微通道和環向凹槽的新型縱橫織構錐體，提出了功能表面梯度表面張力-毛細吮吸力耦合作用下液滴自運輸雙模式，實現了多尺度液滴超快速、長距離無損自運輸。該研究成果以“Cross-hatch Textured Cone Enables Dual-Mode Water Transport and Collection"為題發表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。

研究通過摩方精密nanoArch® S140高精度3D打印機制備了縱橫織構錐體，實現了多尺度液滴超快速定向長距離自運輸，最大自運輸速度可達208 mm/s，比具有單一曲率梯度的自然或仿生結構快1-4個數量級。縱橫織構錐體觸發了兩種流體運輸模式：通過Young-Laplace壓力差驅動的液滴和微通道內吮吸壓力誘導的流體運輸。由于環向凹槽連通了梯度微通道，保證了殘留水層和滯留在錐體表面的液滴仍能自發的被運輸到錐體根部，最終實現了液滴的完整運輸。建立了吮吸壓力的理論公式，闡明了滯留液滴和殘余水層自運輸的驅動力來源。此外，拓展了縱橫織構錐體在霧氣收集領域的應用。基于兩種流體運輸模式，縱橫織構錐體的霧氣收集效率是沒有微通道的錐體的兩倍左右。這些發現將為實現液滴的超快速長距離無損自運輸提供新的思路，并為水收集裝置的設計提供理論基礎。

該論文署名江蘇大學機械工程學院/智能柔性機械電子研究院為第一單位，張福建博士為論文第一作者，張忠強教授和丁建寧教授為通訊作者。論文所涉及研究內容得到了國家自然科學基金項目的資助。

圖1 縱橫織構錐體模型與結構表征。（a）模型全景圖；（b）剖視圖；（c-d）局部放大圖；（b-d）比例尺：100 μm。

圖2 縱橫織構錐體表面液滴自運輸。（a-b）帶/不帶微通道的錐體表面上液滴自運輸行為；（c）縱橫織構錐體表面液滴速度和位移隨時間的變化；（d）縱橫織構錐體和其他潤濕梯度表面、非對稱幾何形狀表面上液滴運輸速度的對比。

圖3 縱橫織構錐體表面液滴運輸的細節圖。（a）錐體表面液滴通過后的殘留水層運輸行為；（b）錐體表面殘留水層運輸示意圖。

圖4 縱橫織構錐體的傾角對液滴自運輸的影響。（a）液滴自運輸速度與時間的關系；（b）錐體表面滯留液滴的吮吸運輸行為；（c）錐體中部和末端兩液滴之間的距離L和吮吸時間與傾斜角度的關系。

圖5 微通道對水收集效率的影響。（a）單錐集水速率對比；（b-c）在霧氣穩定收集階段, 帶/不帶微通道的錐體表面水層狀態；（d）縱橫織構錐體陣列水收集裝置示意圖；（e）錐陣列水收集

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