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行業(yè)動態(tài)

3D打印多仿生槽錐刺結(jié)構(gòu)實現(xiàn)跨氣-液界面微油滴高效定向操控

發(fā)布時間：2022-04-15 17:54:02

復(fù)雜環(huán)境下的低表面能液滴操控對于混合液相分離、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(jié)構(gòu)的不對稱性，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動路徑更難控制，盡管具有親油表面的傳統(tǒng)圓錐形結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)微油滴的自運輸，但復(fù)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(jié)構(gòu)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(xué)微納仿生系統(tǒng)與智能化研究團(tuán)隊李國強(qiáng)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?。Ψ骄?，nanoArch S140，P150）技術(shù)制備了一種多仿生槽錐刺結(jié)構(gòu)（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(xì)力的協(xié)同作用下，所設(shè)計的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，2-BGCS結(jié)構(gòu)的輸送速度提高9倍。在逆重力傳輸油滴時，2-BGCS結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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。

評審人對該工作給予高度評價：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)表在國際著名期刊《Advanced Functional Materials》上。西南科技大學(xué)機(jī)械工程2019級碩士生李耀霞和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)2021級博士生崔澤航為共同一作，通訊作者為李國強(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(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。對仿生槽錐形結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)以及對稱圓柱結(jié)構(gòu)在水下進(jìn)行連續(xù)逆重力輸送實驗對比，微油滴在不同結(jié)構(gòu)上連續(xù)運輸?shù)母叨葘Ρ日f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)對比實驗，對油滴沿結(jié)構(gòu)運輸?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)境下油滴運輸?shù)膽?yīng)用?；诜律坼F形結(jié)構(gòu)水下逆重力油滴運輸?shù)膬?yōu)異性能，進(jìn)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(jié)

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(jié)構(gòu)，由錐形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非對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，利用不對稱結(jié)構(gòu)實現(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、健康等重點領(lǐng)域。近年來，該團(tuán)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(dǎo)自生長蘑菇頭凹角結(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構(gòu)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(gòu)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(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。

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

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來源：儀器信息網(wǎng)，深圳摩方新材科技有限公司

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