Science：仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面流體自主擇向

更新時間：2022-02-24

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流體可控輸運(yùn)廣泛存在于各種自然系統(tǒng)和實(shí)際工程中，在微流控、冷凝換熱、抗結(jié)冰和界面減阻等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。自從表/界面科學(xué)潤濕性基礎(chǔ)理論建立以來，國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，液體傾向于自發(fā)向系統(tǒng)能量降低的方向運(yùn)動，其運(yùn)動方向主要取決于表面結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)組成，與液體的性質(zhì)無關(guān)。然而，液體能否決定其命運(yùn)，在不改變表面結(jié)構(gòu)和無能量輸入的前提下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動方向的自主選擇是長期以來困擾學(xué)者們的科學(xué)難題。

近日，香港城市大學(xué)王鉆開教授及其合作者借鑒南洋杉葉片多重懸臂結(jié)構(gòu)特征，制備了仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面，通過建立3D固/液界面交互作用，實(shí)現(xiàn)流體運(yùn)動方向的自主選擇。該研究以“3D capillary ratchet-induced liquid directional steering”為題發(fā)表在期刊Science上。大連理工大學(xué)馮詩樂副教授和香港城市大學(xué)朱平安助理教授為該論文共同第一作者，香港城市大學(xué)王鉆開教授為該論文通訊作者。

圖1 南洋杉葉片及其仿生表面多懸臂結(jié)構(gòu)特征。A 南洋杉葉片表面雙重曲率結(jié)構(gòu)特征，包括橫向和縱向曲率。B仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面雙重懸臂結(jié)構(gòu)特征，單個鋸齒厚度80 μm。

要點(diǎn)：研究者借鑒南洋杉葉片結(jié)構(gòu)特征，使用PμSL 3D打印技術(shù)（nanoArch® S140，摩方精密），設(shè)計(jì)并制備了由平行排列的具有橫向和縱向曲率的雙重懸臂結(jié)構(gòu)的鋸齒陣列組成的仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面、具有對稱垂直平面葉片結(jié)構(gòu)的表面、具有傾斜平面葉片結(jié)構(gòu)的表面和具有平行溝槽結(jié)構(gòu)的表面。3D打印技術(shù)所使用樹脂為丙烯酸光敏樹脂，固化紫外光波長為405 nm，能量密度、曝光時間、曝光分辨率、打印層厚分別30 mW/cm²，1 s，10 μm，10 μm。葉片間距p為750 μm，列間距w為1000 μm，葉片傾斜角度為15 – 90°，縱向和橫向的曲率半徑R₁和R₂分別為~400 μm和~650 μm。

圖2南洋杉葉片及仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面流體輸運(yùn)性能。A酒精（紅色）和水（藍(lán)色）在南洋杉葉片上的運(yùn)動行為。其中，酒精沿著鋸齒結(jié)構(gòu)傾斜的方向運(yùn)動，而水沿著相反的方向運(yùn)動。B低表面能液體和高表面能液體在仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面運(yùn)動行為。

要點(diǎn)：研究者發(fā)現(xiàn)，乙醇沿著南洋杉葉片表面鋸齒結(jié)構(gòu)傾斜的方向運(yùn)動，而水沿著反方向運(yùn)動，這種通過調(diào)控液體性質(zhì)來控制其輸運(yùn)方向的現(xiàn)象尚未報道。受此啟發(fā)，研究者研究了不同表面張力流體在仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面的輸運(yùn)性能。研究表明，該仿生功能表面展現(xiàn)出和南洋杉葉片相似的流體擇向性能：低表面能流體沿著鋸齒結(jié)構(gòu)傾斜的方向運(yùn)動，而高表面能流體沿著與鋸齒結(jié)構(gòu)傾斜相反的方向的運(yùn)動。即使在長程輸運(yùn)和圓形表面上，流體依然保持良好的單向輸運(yùn)性能。

圖3 仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面流體自主擇向機(jī)理。A/B低表面能液體和高表面能液體在仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面的鋪展行為。C橫向曲率結(jié)構(gòu)懸臂效應(yīng)力學(xué)分析模型。D流體打破結(jié)構(gòu)扎釘效應(yīng)的臨界狀態(tài)。E縱向曲率結(jié)構(gòu)懸臂效應(yīng)力學(xué)分析模型。F流體自主擇向現(xiàn)象和表面結(jié)構(gòu)及流體表面張力的關(guān)系。

要點(diǎn)：研究者觀察發(fā)現(xiàn)，液體在仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面鋪展過程中，低表面能液體固/液界面展現(xiàn)自下而上的鋪展模式，而高表面能液體展現(xiàn)自上而下的鋪展模式。實(shí)際上，流體沿著特定方向的自發(fā)鋪展需要滿足兩個臨界條件：第一個，流體能接觸到相鄰的鋸齒結(jié)構(gòu)；第二，流體前端受到的驅(qū)動力足夠克服結(jié)構(gòu)的扎釘效應(yīng)。3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)的亞毫米尺度雙重懸臂結(jié)構(gòu)特征，能夠調(diào)控不同表面張力流體兩個臨界條件的閾值，建立3D空間上非對稱固/液界面相互作用，進(jìn)而選擇流體的鋪展模式和鋪展方向，實(shí)現(xiàn)液體運(yùn)動方向的有效控制。這是仿南洋杉3D毛細(xì)鋸齒結(jié)構(gòu)表面流體自主擇向的本質(zhì)。

該論文合作者包括香港城市大學(xué)機(jī)械工程系鄭煥璽、李加乾，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院詹海洋、陳琛、劉亞華教授，香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)系姚希副教授和香港大學(xué)機(jī)械工程系王立秋教授。