多仿生槽錐刺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跨氣-液界面微油滴高效定向操控

復(fù)雜環(huán)境下的低表面能液滴操控對(duì)于混合液相分離、化學(xué)微反應(yīng)廢物處理等能源、環(huán)境與健康領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。具有液體靶向運(yùn)輸控制功能的仿生結(jié)構(gòu)表面為微滴操控提供了一種能耗更低、制備工藝更簡(jiǎn)單的解決策略。目前實(shí)現(xiàn)基底表面液滴智能運(yùn)輸主要依賴于材料潤(rùn)濕性梯度和結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，且相關(guān)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(yùn)動(dòng)路徑更難控制，盡管具有親油表面的傳統(tǒng)圓錐形結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)微油滴的自運(yùn)輸，但復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)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(duì)稱性結(jié)構(gòu)的功能局限實(shí)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(xué)微納仿生系統(tǒng)與智能化研究團(tuán)隊(duì)李國(guó)強(qiáng)教授與海河實(shí)驗(yàn)室曹墨源研究員合作，受魚(yú)刺微油滴操控功能、水稻葉表面各向異性液滴滑動(dòng)現(xiàn)象啟發(fā)，利用PμSL高精密3D打印（摩方精密，nanoArch S140，P150）技術(shù)制備了一種多仿生槽錐刺結(jié)構(gòu)（BGCS）實(shí)現(xiàn)水下油滴的逆重力高效運(yùn)輸與收集。在非對(duì)稱拉普拉斯壓力和表面毛細(xì)力的協(xié)同作用下，所設(shè)計(jì)的2-BGCS結(jié)構(gòu)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(yùn)輸速度最高可達(dá)70.2 mm/s。與傳統(tǒng)圓錐形結(jié)構(gòu)相比，傾斜角20°時(shí)，2-BGCS結(jié)構(gòu)的輸送速度提高9倍。在逆重力傳輸油滴時(shí)，2-BGCS結(jié)構(gòu)能夠提升超過(guò)22 μL的重油滴，通量提升5倍，極大的改善了圓錐結(jié)構(gòu)的功能與性能，且具有輸運(yùn)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(fù)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

評(píng)審人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)：基于錐形結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)的巧妙結(jié)合和功能設(shè)計(jì)為微流控等領(lǐng)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(xué)機(jī)械工程2019級(jí)碩士生李耀霞和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)2021級(jí)博士生崔澤航為共同一作，通訊作者為李國(guó)強(qiáng)教授和曹墨源研究員。

圖1 仿生槽錐刺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與性能對(duì)比。受魚(yú)刺和水稻葉啟發(fā)，利用精密3D打印制備了不同槽個(gè)數(shù)的仿生錐形結(jié)構(gòu)。梯度槽和錐形結(jié)構(gòu)的結(jié)合，使仿生結(jié)構(gòu)具備水下超快逆重力定向傳輸功能，對(duì)比不同槽數(shù)的仿生結(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)，2-BGCS結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸效。果。最。佳。

圖2 不同結(jié)構(gòu)連續(xù)輸送油滴及理論機(jī)制的比較。對(duì)仿生槽錐形結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)以及對(duì)稱圓柱結(jié)構(gòu)在水下進(jìn)行連續(xù)逆重力輸送實(shí)驗(yàn)對(duì)比，微油滴在不同結(jié)構(gòu)上連續(xù)運(yùn)輸?shù)母叨葘?duì)比說(shuō)明仿生槽錐形結(jié)構(gòu)上的微油滴能夠不斷連續(xù)輸送，且不影響下一次循環(huán)?；诓煌Y(jié)構(gòu)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)油滴沿結(jié)構(gòu)運(yùn)輸?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行機(jī)理分析。

圖3 仿生槽錐刺結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下油滴運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用。基于仿生槽錐形結(jié)構(gòu)水下逆重力油滴運(yùn)輸?shù)膬?yōu)異性能，進(jìn)一步探討了在多環(huán)境下的油滴運(yùn)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(shí)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(jié)

綜上所述，受魚(yú)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(jié)構(gòu)，由錐形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非對(duì)稱拉普拉斯壓力和凹槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的表面毛細(xì)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(jié)構(gòu)的功能與性能。同時(shí)，利用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)油滴跨氣-液兩相界面的精準(zhǔn)高效傳輸，仿生槽錐刺集油陣列裝置實(shí)現(xiàn)在水環(huán)境下超快、連續(xù)收集油滴，為復(fù)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(tuán)隊(duì)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(chǔ)研究與應(yīng)用研究，以開(kāi)發(fā)微納功能結(jié)構(gòu)、芯片、器件及集成系統(tǒng)為目標(biāo)，服務(wù)于能源、環(huán)境、健康等重點(diǎn)領(lǐng)域。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一系列高水平研究成果，包括水平振動(dòng)模式高性能微滴定向驅(qū)動(dòng)（Adv. Mater., 2020, 2005039），飛秒激光誘導(dǎo)自生長(zhǎng)蘑菇頭凹角結(jié)構(gòu)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(xiě)構(gòu)筑仿魚(yú)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(gòu)建仿生麥芒分級(jí)系統(tǒng)用于高效霧水收集、受蚊眼啟發(fā)的激光織構(gòu)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(jī)械工程學(xué)科在科學(xué)研究和人才培養(yǎng)方面的新成就。

該研究受到國(guó)防科工局十四五基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目、裝備預(yù)研領(lǐng)域基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、四川省科技創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。