仿松針多級非對稱結(jié)構(gòu)超疏水表面多尺度液滴定向輸運

液滴的自發(fā)定向輸運在芯片實驗室、能源電力系統(tǒng)、油氣輸運、水收集和除濕等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，其主要取決于表面形貌結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的非對稱性，具體表現(xiàn)為浸潤性梯度、各向異性結(jié)構(gòu)和曲率梯度等。液滴輸運的速度和距離是判定輸運效率的有效指標。合理的設(shè)計并制備表面結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)快速、長程的液滴自發(fā)定向輸運的有效方法。然而，傳統(tǒng)的加工技術(shù)加工精度較低、加工結(jié)構(gòu)單一，很難滿足結(jié)構(gòu)性能要求。

近日，大連理工大學(xué)馮詩樂副教授，受松針表面多級非對稱結(jié)構(gòu)啟發(fā)，使用深圳摩方材料科技有限公司PμSL 3D打印技術(shù)（nanoArch® S140），制備了仿松針多級非對稱結(jié)構(gòu)表面，實現(xiàn)了快速、長程的液滴自發(fā)定向輸運。該研究以“Tip-inducedflipping of droplets on Janus pillars: from local reconfiguration to globaltransport"為題發(fā)表在國際頂級期刊《ScienceAdvances》上，為液滴的定向輸運領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路。論文第一作者為大連理工大學(xué)馮詩樂副教授，通訊作者為香港城市大學(xué)王鉆開教授和巴黎高等物理化工學(xué)院David Quéré教授。

圖1 松針和仿松針多級非對稱結(jié)構(gòu)表面的形貌結(jié)構(gòu)特征

圖2 仿松針多級非對稱結(jié)構(gòu)表面的形貌結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)控

要點：研究者借鑒松針表面結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計并制備包括第一級的傾斜陣列結(jié)構(gòu)、第二級的高度梯度結(jié)構(gòu)和第三級的平面/曲面組合的半錐形結(jié)構(gòu)的仿松針多級非對稱結(jié)構(gòu)表面。上述表面（圖1）由nanoArch S140微尺度3D打印設(shè)備加工，使用材料為HTL耐高溫樹脂，打印層厚為10微米。陣列間距為300微米，尖.錐傾斜角度β為70°，高度梯度α為20°，尖.錐頂端大小為10-20微米。在打印過程中，通過精密刮刀刮除細小的氣泡，來保障加工質(zhì)量。同時，研究者還設(shè)計了僅包含傾斜陣列結(jié)構(gòu)和半錐形結(jié)構(gòu)的對照樣品，與僅包含傾斜陣列結(jié)構(gòu)和高度梯度結(jié)構(gòu)的對照樣品。通過nanoArch S140微尺度3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了包括傾斜、高度梯度及平/曲面組合的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)表面參數(shù)的精確調(diào)控及大規(guī)模制備（圖2）。

圖3 仿松針多級非對稱結(jié)構(gòu)表面微液滴自發(fā)定向輸運

圖4 仿松針多級非對稱結(jié)構(gòu)尖.端效應(yīng)

要點：在凝結(jié)過程中，液滴先隨機在表面凝結(jié)，然后向尖.端匯聚，然后尖.端液滴會在合并過程中重新配置，并從半錐形結(jié)構(gòu)的平面旋轉(zhuǎn)到曲面位置，隨后合并的液滴會沿著高度增加的方向運動，進而實現(xiàn)從微觀到宏觀的多尺度液滴的定向輸運，其液滴定向輸運的速度可以達到10 cm/s。研究者發(fā)現(xiàn)液滴在合并過程中重新配置是非對稱結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的尖.端效應(yīng)導(dǎo)致的，并通過建立能量變化模型證明，當液滴尺寸大于結(jié)構(gòu)尺寸時，液滴坐落于平面的系統(tǒng)能量大于坐落于曲面上的系統(tǒng)能量，從而揭示了液滴從平面向曲面運動的機理。研究者發(fā)現(xiàn)毫米級的液滴在合并過程中依然會從平面運動到弧面上，證明非對稱結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的尖.端效應(yīng)普遍適用于各種尺度的液滴。

論文鏈接: https://advances.sciencemag.org/content/6/28/eabb4540/