微納3D打印花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面實現(xiàn)液滴操控、油水分離和減阻

受自然生物學(xué)啟發(fā)制備的具有不同潤濕特性的功能性表面在液體收集、液滴操縱、減阻及油水分離和藥物輸送系統(tǒng)等領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。值得注意的是，功能性拒水表面成為其中一個熱門議題。荷葉上的超疏水現(xiàn)象表明由親水材料制成的具有特殊微納結(jié)構(gòu)的表面可以實現(xiàn)疏水甚至超疏水特性。因此，越來越多的研究人員致力于設(shè)計和制造獨。特的微納結(jié)構(gòu)使得由親水材料組成的表面呈現(xiàn)出超疏水的特性，進而實現(xiàn)更多特定的功能。

隨著3D打印技術(shù)的逐步發(fā)展，越來越多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)如蘑菇頭狀、重入蘑菇頭狀、打蛋器狀及仿彈尾蟲表面等被設(shè)計和制備以實現(xiàn)一定的拒水效果。盡管相關(guān)研究提出了具有各種形狀的拒水微結(jié)構(gòu)，但這些形狀大多具有蘑菇狀形式。設(shè)計3D 微結(jié)構(gòu)并深入探索機理，從而進一步提高拒水及液滴承載性能仍然是一個挑戰(zhàn)。最近，對豬籠草的研究表明，豬籠草口緣區(qū)域微腔結(jié)構(gòu)的銳利邊緣和弓形曲線具有將液體釘扎在彎曲結(jié)構(gòu)上的超。強能力，該能力甚至可以克服重力。

據(jù)此，西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院張輝副教授等提出了一種新型 3D 打印仿生超疏水花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面，其靈感來自豬籠草口緣區(qū)域的水釘扎效應(yīng)。該團隊利用高精度3D打印技術(shù)(nanoArch P140，摩方精密)實現(xiàn)了花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面的制備。具有花瓣狀微觀結(jié)構(gòu)的親水性樹脂具有宏觀超疏水性和優(yōu)異的拒水性。與普通蘑菇形結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的花瓣狀結(jié)構(gòu)承載力最大增加率為58.3%。相應(yīng)的機理分析表明，鋒利的邊緣效應(yīng)和弓形曲線效應(yīng)是造成這種超排斥性能的原因。

然后團隊進行了對幾何特征（花瓣數(shù)量P、結(jié)構(gòu)間隙S及花瓣結(jié)構(gòu)占比K）對花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面液滴承載能力影響的實驗研究。覆蓋微結(jié)構(gòu)數(shù)、接觸角變化和最大崩潰體積參數(shù)反映了不同參數(shù)表面的液滴承載能力。優(yōu)化后的微結(jié)構(gòu)陣列（花瓣數(shù)量P為4，結(jié)構(gòu)間隙S為100 μm，花瓣結(jié)構(gòu)占比K為0.5）與普通蘑菇形微結(jié)構(gòu)相比，液滴承載力的最大增加率為58.3%。

當?shù)渭右旱沃?/span> 3D 打印花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面上時，液滴將覆蓋多個花瓣狀微結(jié)構(gòu)組成的方形陣列區(qū)域。微結(jié)構(gòu)頂面上的液滴呈現(xiàn)鋸齒形邊界。弓形曲線和花瓣狀結(jié)構(gòu)的鋒利邊緣的協(xié)同作用作為能量屏障，限制了水滴的鋪展和崩潰。由于花瓣微結(jié)構(gòu)材料本身具有親水性，液滴沿花瓣拉伸形成凹形液體邊界曲線，類似于液體在平行側(cè)壁中的流動情況。相似的液體邊界曲線形狀和具有銳角邊緣的弓形曲線導(dǎo)致花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面具有較高的水約束力。

花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面具有優(yōu)異拒水性可用于超大液滴承載、微反應(yīng)器、無損液滴搬運、傾斜表面液滴快速脫附、油水分離、氣泡保持和減阻等領(lǐng)域。

圖1 a 豬籠草口緣區(qū)域及其微腔結(jié)構(gòu)；b 花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面設(shè)計及3D打印模型；c 3D打印的平面表面接觸角約為55°，具有花瓣狀微結(jié)構(gòu)的表面具有宏觀超疏水性，其接觸角約為160°，即使表面倒置，水滴也會粘附在表面上。

圖2 a 液滴在花瓣狀微結(jié)構(gòu)陣列的頂部沿微結(jié)構(gòu)邊緣呈現(xiàn)鋸齒形邊界；b 液滴與微結(jié)構(gòu)之間的接觸邊界示意圖；c 親水花瓣微結(jié)構(gòu)拉伸液滴以及平行側(cè)壁間液體的粘附和拉伸效果。

 圖3 花瓣狀微結(jié)構(gòu)表面應(yīng)用a超大液滴承載；b 微反應(yīng)器；c 無損液滴搬運；d 傾斜表面液滴快速脫附；e 油水分離；f 氣泡保持和減阻實驗