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Science:仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面流體自主擇向

2021-09-01

 

流體可控輸運廣泛存在于各種自然系統和實際工程中,在微流控、冷凝換熱、抗結冰和界面減阻等領域具有廣闊的應用前景。自從表/界面科學潤濕性基礎理論建立以來,國內外學者普遍認為,液體傾向于自發向系統能量降低的方向運動,其運動方向主要取決于表面結構特征和化學組成,與液體的性質無關。然而,液體能否決定其命運,在不改變表面結構和無能量輸入的前提下實現運動方向的自主選擇是長期以來困擾學者們的科學難題。


近日,香港城市大學王鉆開教授及其合作者借鑒南洋杉葉片多重懸臂結構特征,制備了仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面,通過建立3D固/液界面交互作用,實現流體運動方向的自主選擇。該研究以“3D capillary ratchet-induced liquid directional steering”為題發表在國際頂級期刊Science上。大連理工大學馮詩樂副教授和香港城市大學朱平安助理教授為該論文共同第一作者,香港城市大學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構特征。A 南洋杉葉片表面雙重曲率結構特征,包括橫向和縱向曲率。B仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面雙重懸臂結構特征,單個鋸齒厚度80 μm。

 

要點:研究者借鑒南洋杉葉片結構特征,使用PμSL 3D打印技術(nanoArch® S140,摩方精密),設計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構的鋸齒陣列組成的仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面、具有對稱垂直平面葉片結構的表面、具有傾斜平面葉片結構的表面和具有平行溝槽結構的表面。3D打印技術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毛細鋸齒結構表面流體輸運性能。A酒精(紅色)和水(藍色)在南洋杉葉片上的運動行為。其中,酒精沿著鋸齒結構傾斜的方向運動,而水沿著相反的方向運動。B低表面能液體和高表面能液體在仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面運動行為。

 

要點:研究者發現,乙醇沿著南洋杉葉片表面鋸齒結構傾斜的方向運動,而水沿著反方向運動,這種通過調控液體性質來控制其輸運方向的現象尚未報道。受此啟發,研究者研究了不同表面張力流體在仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面的輸運性能。研究表明,該仿生功能表面展現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構傾斜的方向運動,而高表面能流體沿著與鋸齒結構傾斜相反的方向的運動。即使在長程輸運和圓形表面上,流體依然保持良好的單向輸運性能。

 

 

圖3 仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面流體自主擇向機理。A/B低表面能液體和高表面能液體在仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面的鋪展行為。C橫向曲率結構懸臂效應力學分析模型。D流體打破結構扎釘效應的臨界狀態。E縱向曲率結構懸臂效應力學分析模型。F流體自主擇向現象和表面結構及流體表面張力的關系。


要點:研究者觀察發現,液體在仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面鋪展過程中,低表面能液體固/液界面展現自下而上的鋪展模式,而高表面能液體展現自上而下的鋪展模式。實際上,流體沿著特定方向的自發鋪展需要滿足兩個臨界條件:第一,流體能接觸到相鄰的鋸齒結構;第二,流體前端受到的驅動力足夠克服結構的扎釘效應。3D毛細鋸齒結構的亞毫米尺度雙重懸臂結構特征,能夠調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,進而選擇流體的鋪展模式和鋪展方向,實現液體運動方向的有效控制。這是仿南洋杉3D毛細鋸齒結構表面流體自主擇向的本質。

 

該論文合作者包括香港城市大學機械工程系鄭煥璽、李加乾,大連理工大學機械工程學院詹海洋、陳琛、劉亞華教授,香港城市大學生物醫學科學系姚希副教授和香港大學機械工程系王立秋教授。

 

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7552

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