復雜環(huán)境下的低表面能液滴操控對于混合液相分離、化學微反應廢物處理等能源、環(huán)境與健康領域的應用發(fā)展具有重要指導意義。具有液體靶向運輸控制功能的仿生結構表面為微滴操控提供了一種能耗更低、制備工藝更簡單的解決策略。目前實現(xiàn)基底表面液滴智能運輸主要依賴于材料潤濕性梯度和結構的不對稱性，且相關研究均集中于水處理。油等低表面能液滴的低接觸角滯后和接觸線滑移使其相比水運動路徑更難控制，盡管具有親油表面的傳統(tǒng)圓錐形結構可以實現(xiàn)微油滴的自運輸，但復雜環(huán)境下的實用性、大容量自發(fā)連續(xù)低表面張力微液滴輸送系統(tǒng)是亟待解決的行業(yè)難題與挑戰(zhàn)。如何突破現(xiàn)有微滴操控不對稱性結構的功能局限實現(xiàn)微油滴氣-液界面跨相傳輸提取更是鮮有研究。
近日，西南科技大學微納仿生系統(tǒng)與智能化研究團隊李國強教授與海河實驗室曹墨源研究員合作，受魚刺微油滴操控功能、水稻葉表面各向異性液滴滑動現(xiàn)象啟發(fā)，利用PμSL高精密3D打印（摩方精密，nanoArch S140，P150）技術制備了一種多仿生槽錐刺結構（BGCS）實現(xiàn)水下油滴的逆重力高效運輸與收集。在非對稱拉普拉斯壓力和表面毛細力的協(xié)同作用下，所設計的2-BGCS結構具備在水下、空氣以及跨氣-液兩相界面超快、連續(xù)傳輸油滴的功能，運輸速度最高可達70.2 mm/s。與傳統(tǒng)圓錐形結構相比，傾斜角20°時，2-BGCS結構的輸送速度提高9倍。在逆重力傳輸油滴時，2-BGCS結構能夠提升超過22 μL的重油滴，通量提升5倍，極大的改善了圓錐結構的功能與性能，且具有輸運大體積油滴的潛力。仿生槽錐刺集油陣列裝置表現(xiàn)出在水環(huán)境下連續(xù)、自發(fā)地收集油滴的性能。該研究為復雜環(huán)境下的油滴從輸送到收集提供了一種集成、通用的新策略，在水下微油滴收集系統(tǒng)、生物分析及污染治理等領域具有廣闊的應用前景。
評審人對該工作給予高度評價：基于錐形結構和溝槽結構的巧妙結合和功能設計為微流控等領域提供新的仿生策略。該工作以“Directional and Adaptive Oil Self-transport on a Multi-bioinspired Grooved Conical Spine”為題發(fā)表在著名期刊《Advanced Functional Materials》上。西南科技大學機械工程2019級碩士生李耀霞和中國科學技術大學儀器科學與技術2021級博士生崔澤航為共同一作，通訊作者為李國強教授和曹墨源研究員。
圖1 仿生槽錐刺結構的設計與性能對比。受魚刺和水稻葉啟發(fā)，利用精密3D打印制備了不同槽個數(shù)的仿生錐形結構。梯度槽和錐形結構的結合，使仿生結構具備水下超快逆重力定向傳輸功能，對比不同槽數(shù)的仿生結構以及傳統(tǒng)錐形結構，2-BGCS結構的運輸效。果。最。佳。
圖2 不同結構連續(xù)輸送油滴及理論機制的比較。對仿生槽錐形結構、傳統(tǒng)錐形結構以及對稱圓柱結構在水下進行連續(xù)逆重力輸送實驗對比，微油滴在不同結構上連續(xù)運輸?shù)母叨葘Ρ日f明仿生槽錐形結構上的微油滴能夠不斷連續(xù)輸送，且不影響下一次循環(huán)。基于不同結構對比實驗，對油滴沿結構運輸?shù)哪Ｐ瓦M行機理分析。
圖3 仿生槽錐刺結構在不同環(huán)境下油滴運輸?shù)膽谩?/span>基于仿生槽錐形結構水下逆重力油滴運輸?shù)膬?yōu)異性能，進一步探討了在多環(huán)境下的油滴運輸功能，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)微油滴在空氣中的超快輸送，還可以實現(xiàn)氣-液界面跨相油滴傳輸，集成收集裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水下油滴的大通量收集。
小結
綜上所述，受魚刺空中油滴定向輸送以及水稻葉各向異性槽的啟發(fā)，作者借助精密3D打印制備新型仿生功能結構，由錐形結構產(chǎn)生的非對稱拉普拉斯壓力和凹槽結構產(chǎn)生的表面毛細力的共同作用下，提高了油滴在水下傳輸能力，極大的改善了傳統(tǒng)圓錐結構的功能與性能。同時，利用不對稱結構實現(xiàn)油滴跨氣-液兩相界面的精準高效傳輸，仿生槽錐刺集油陣列裝置實現(xiàn)在水環(huán)境下超快、連續(xù)收集油滴，為復雜環(huán)境下的油滴從輸送到收集提供了新的方法。
微納仿生系統(tǒng)與智能化團隊一直致力于超快激光微納精密制造和超精密3D/4D打印制造的基礎研究與應用研究，以開發(fā)微納功能結構、芯片、器件及集成系統(tǒng)為目標，服務于能源、環(huán)境、健康等重點領域。近年來，該團隊報道了一系列高水平研究成果，包括水平振動模式高性能微滴定向驅(qū)動（Adv. Mater., 2020, 2005039），飛秒激光誘導自生長蘑菇頭凹角結構微柱（Nano Lett., 2021, 21, 9301−9309; ACS Nano2022, 16, 2730-2740），激光3D打印和飛秒激光直寫構筑仿魚骨微液滴多相分流器、仿荻草葉保水功能“即插即用”式高效集水灌溉裝置（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 9719; J. Mater.Chem. A, 2021, 9, 5630; Nano-Micro Lett., 2022,14:97），精密3D打印構建仿生麥芒分級系統(tǒng)用于高效霧水收集、受蚊眼啟發(fā)的激光織構化仿生多功用玻璃（Chem. Eng. J, 2020.125139; Chem. Eng. J,2021.129113），一種用于微樣分析的仿生微滴操控器（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 14741−14751）等40余篇。這些重要成果體現(xiàn)了機械工程學科在科學研究和人才培養(yǎng)方面的新成就。
該研究受到國防科工局十四五基礎科研計劃項目、裝備預研領域基金項目、國家自然科學基金項目、四川省科技創(chuàng)新基金等項目的支持。
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