來自樹葉的啟發，梯度槽耦合表面實現高效油水分離

隨著工業發展，有機廢水非法排放導致含油污水激增，因此，研發高效油水分離技術成為環保領域的關鍵難題。傳統方法依賴如磁力、電力驅動等外部能源驅動，存在成本高、設備復雜等局限。然而，自然界中銀杏葉溝槽和松針錐形等生物結構卻能巧妙利用物理特性實現液滴自驅動輸運，這一現象為新型分離技術的研發提供了創新靈感。

近日，魯東大學陳雪葉教授團隊受自然界啟發，將松針的錐形結構與銀杏葉的溝槽結構相結合，利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術制備了仿生耦合錐梯度溝槽（BCGG），實現油滴在無外部能源下的逆重力自驅動輸運。該結構通過拉普拉斯壓力與毛細力協同作用，實現了油滴的自驅動、跨界面高效運輸，最大運輸速度達55.2 mm/s，是傳統錐形結構的11倍，為油水分離領域提供了新的思路和方法。

相關成果以“Microdroplet self-driven transport on the surface with bionic coupled cone-gradient groove"發表于國際期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。霍緒堯副教授和2023級研究生陳鑫坤為共同第一作者，陳雪葉教授為通訊作者。

（1）本研究將松針的錐形結構與銀杏葉表面的溝槽結構結合起來，設計了一種新型的仿生錐形-梯度槽耦合表面，具體的設計理念來源和外觀形貌如圖1a所示，并通過摩方精密nanoArch® P150（精度：25 μm）3D 打印系統打印出BCGG結構。隨后將樣品放入處理好的化學溶液中浸泡涂覆二氧化硅顆粒，最后放入真空干燥箱中干燥12小時得到最終的樣品（圖1b）。

圖1. BCGG的設計與制造。(a)仿生錐形梯度槽耦合面的設計。(b)BCGG的制造過程。

（2）通過測試7°、9°、11°、13°、15° 五種錐角的BCGG逆重力輸油性能，發現在錐角為11° 時，平均運輸速度最快（21.37 mm/s），因該角度下錐形結構產生的拉普拉斯壓力與溝槽結構的毛細力協同作用最佳，錐角過小或過大均會導致驅動力不足。同時，傾斜角度對輸運速度有顯著影響，隨傾斜角度從0° 增至30°，油滴運輸速度從44.6 mm/s 降至25.1mm/s，因重力垂直分量增大導致阻力增加。機理分析表明，油滴接觸結構后在毛細力作用下形成油膜減小阻力，同時拉普拉斯力驅動油滴逆重力向上，沿梯度溝槽運輸至吸油海綿（圖2）。

圖2. BCGG結構參數優化。(a)不同頂角的BCGG示意圖。(b)不同頂角的BCGG在初始時刻將油滴輸送到水下的圖像。(c)實際捕獲的圖像，時間為0.82秒。(d)不同頂角α的BCGG抗重力（2µL）輸送油滴的速度。(e)BCGG輸送油滴的機制圖。(f)不同傾斜角β（α=11）下BCGG輸送油滴的速度。

（3）在固定錐角為11°的情況下，研究溝槽數量（2-5 個）對輸油性能的影響。研究人員發現隨著溝槽數量增加，使得橫截面積增大、有效長度減小、毛細力減弱，油滴運輸速度不僅下降，且無溝槽圓錐無法完成運輸。因此，2-BCGG具有最長的有效長度、優異的毛細力性能，從而展現出最佳輸運效率。對于不同體積油滴，2-BCGG對6 µL油滴仍保持9.1 mm/s速度，10 µL油滴可在8.45 s內完成運輸，展現了大體積油滴輸運能力。不同傾斜角度下，2-BCGG速度始終優于其他結構，在錐角為30°時，油滴速度是傳統無溝槽錐形結構的11 倍，且連續五個周期測試顯示其輸運性能穩定，重復性良好。

圖3. BCGG結構參數及傳輸特性。(a)不同溝槽（2-BCGG、3-BCGG、4-BCGG、5-BCGG和無溝槽錐體）的BCGG實物圖和橫截面。(b)不同溝槽（4µL）的BCGG在重力作用下的向上油滴傳輸速度。(c)不同體積油滴在重力作用下2-BCGG的傳輸速度。(d) 2-BCGG在水下傳輸大體積油滴。(e)不同溝槽的BCGG在不同傾角下的油滴傳輸速度。(f)不同溝槽的BCGG在連續五個周期內水下傳輸油滴的速度。

（4）通過對比2-BCGG、無溝槽圓錐、溝槽圓柱和無溝槽圓柱的輸油性能，揭示BCGG的驅動機理：2-BCGG的驅動力為錐形結構的拉普拉斯壓力（FL）和梯度槽的毛細力（FC），阻力包括重力（FG）、滯后力（FH）和拖曳力（FD），合力（F=FL+FC?FH?FD?FG）使油滴逆重力運輸。無溝槽圓錐僅依賴FL，合力不足導致油滴停滯中途；溝槽圓柱僅靠 FC 形成細流，速度緩慢；無溝槽圓柱無驅動力，油滴聚集底部。公式推導和受力分析表明，FL與油滴體積、錐角及表面張力差相關，FC取決于溝槽幾何和接觸角，兩者協同作用使2-BCGG具備高效輸運能力。

圖4. 不同結構的傳輸機制對比。(a)2-BCGG過程及水下抗重力油滴傳輸示意圖。(b)無槽錐體水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。(c)有槽圓筒水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。(d)無槽圓筒水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。

（5）BCGG在多相環境中表現出優異輸油性能：空氣中，2-BCGG可在57.17 s 內運輸1 µL油滴，傳統錐形結構無法完成；在液 - 氣跨界面場景中，2-BCGG能將油滴從水下拉至水面并運輸至根部，而傳統結構油滴停滯界面。組裝體實驗顯示，隨BCGG數量從2個增至5個，2 µL和15 µL油滴分離時間分別從0.58 s、0.86 s 降至 0.15 s、0.37 s，接觸面積和溝槽數的增加提升了油滴分離的效率。基于BCGG設計的水下自驅動集油裝置，無需外部能量，可捕獲油滴并輸至吸油海綿，1 小時內分離約5 ml 油，適用于石油泄漏收集、有機廢水處理等場景，展現廣闊應用前景。

圖5. 2-BCGG的多種應用。(a)2-BCGG與未加工錐體在空氣中的油傳輸性能對比。(b)2-BCGG與未加工錐體在液氣界面處的抗重力油傳輸性能對比。(c)油滴在界面處傳輸機制示意圖。(d)不同體積油滴分離時間與2-BCGG組件數量的關系。(e)2-BCGG陣列收集微小油滴的示意圖。(f)油水混合物、收集的油、分離出的水、用紅色染色的油。

總結：

本研究通過仿生結構設計與3D打印技術結合，開發了兼具高效傳輸與環境適應性的BCGG表面，為復雜環境下的油滴收集提供了新策略。其自驅動、無能耗的特性在海洋漏油回收、有機廢水處理等領域具有廣闊應用前景。未來可進一步拓展至微流控芯片、生物傳感等場景，推動仿生功能材料的實際應用。