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Science：仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面流體自主(zhu)擇(ze)向(xiang)

更(geng)新時(shi)間：2022-02-24

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流體可(ke)控輸(shu)運(yun)廣泛存(cun)在於(yu)各(ge)種(zhong)自然(ran)系(xi)統和實(shi)際(ji)工(gong)程中(zhong)，在(zai)微(wei)流控、冷(leng)凝換(huan)熱、抗(kang)結(jie)冰(bing)和界面(mian)減阻(zu)等領(ling)域具有(you)廣闊(kuo)的應(ying)用前(qian)景(jing)。自從(cong)表(biao)/界(jie)面科(ke)學潤(run)濕性(xing)基(ji)礎(chu)理(li)論建立(li)以(yi)來(lai)，國內外(wai)學者(zhe)普遍認(ren)為(wei)，液體傾(qing)向(xiang)於(yu)自發(fa)向(xiang)系(xi)統能(neng)量(liang)降(jiang)低的方(fang)向(xiang)運(yun)動(dong)，其(qi)運(yun)動(dong)方(fang)向(xiang)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於表(biao)面(mian)結(jie)構(gou)特征(zheng)和(he)化學組(zu)成(cheng)，與液體的性(xing)質(zhi)無關(guan)。然(ran)而(er)，液體能(neng)否(fou)決(jue)定其(qi)命運(yun)，在(zai)不改變表面結(jie)構(gou)和(he)無能(neng)量(liang)輸(shu)入(ru)的前(qian)提下實現運動(dong)方(fang)向(xiang)的自主(zhu)選擇(ze)是(shi)長期以(yi)來(lai)困(kun)擾(rao)學者(zhe)們的科(ke)學難(nan)題(ti)。

近日，香港(gang)城(cheng)市大(da)學王(wang)鉆開(kai)教(jiao)授及(ji)其合作(zuo)者借(jie)鑒南(nan)洋杉葉片(pian)多重(zhong)懸(xuan)臂(bi)結(jie)構(gou)特征(zheng)，制(zhi)備了(le)仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面，通(tong)過建立(li)3D固(gu)/液界面(mian)交(jiao)互(hu)作(zuo)用，實現流體運(yun)動(dong)方(fang)向(xiang)的自主(zhu)選擇(ze)。該(gai)研究(jiu)以(yi)“3D capillary ratchet-induced liquid directional steering”為(wei)題(ti)發表(biao)在期刊(kan)Science上(shang)。大(da)連理(li)工(gong)大(da)學馮(feng)詩樂副教授(shou)和(he)香(xiang)港城(cheng)市大(da)學朱(zhu)平(ping)安(an)助理(li)教授(shou)為(wei)該(gai)論文(wen)共同第(di)壹作(zuo)者，香(xiang)港城(cheng)市大(da)學王(wang)鉆開(kai)教(jiao)授為(wei)該(gai)論文(wen)通(tong)訊作(zuo)者。

圖(tu)1 南(nan)洋(yang)杉葉片(pian)及(ji)其仿(fang)生(sheng)表面(mian)多懸(xuan)臂(bi)結(jie)構(gou)特征(zheng)。A 南(nan)洋(yang)杉葉片(pian)表面雙(shuang)重曲率(lv)結(jie)構(gou)特征(zheng)，包括橫向(xiang)和(he)縱(zong)向(xiang)曲率(lv)。B仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面雙重懸(xuan)臂(bi)結(jie)構(gou)特征(zheng)，單個鋸(ju)齒厚(hou)度80 μm。

要點(dian)：研(yan)究(jiu)者借鑒(jian)南洋杉葉片(pian)結(jie)構(gou)特征(zheng)，使(shi)用PμSL 3D打印(yin)技(ji)術(shu)（nanoArch® S140，摩方(fang)精密(mi)），設(she)計(ji)並制備了(le)由(you)平(ping)行排列(lie)的具(ju)有(you)橫向(xiang)和(he)縱(zong)向(xiang)曲率(lv)的雙(shuang)重(zhong)懸(xuan)臂(bi)結(jie)構(gou)的鋸(ju)齒(chi)陣列組(zu)成(cheng)的仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面、具有(you)對稱(cheng)垂直平(ping)面(mian)葉片(pian)結(jie)構(gou)的表(biao)面(mian)、具有(you)傾(qing)斜平(ping)面(mian)葉片(pian)結(jie)構(gou)的表(biao)面(mian)和具有(you)平(ping)行溝(gou)槽(cao)結(jie)構(gou)的表(biao)面(mian)。3D打印(yin)技(ji)術(shu)所使(shi)用樹脂為(wei)丙烯(xi)酸(suan)光敏樹(shu)脂(zhi)，固(gu)化紫(zi)外(wai)光波(bo)長為(wei)405 nm，能(neng)量(liang)密(mi)度(du)、曝光時(shi)間、曝光分辨率(lv)、打印(yin)層(ceng)厚(hou)分別(bie)30 mW/cm²，1 s，10 μm，10 μm。葉(ye)片(pian)間距p為(wei)750 μm，列間距w為(wei)1000 μm，葉片(pian)傾(qing)斜角(jiao)度為(wei)15 – 90°，縱(zong)向(xiang)和(he)橫向(xiang)的曲率(lv)半(ban)徑(jing)R₁和(he)R₂分別(bie)為(wei)~400 μm和~650 μm。

圖(tu)2南(nan)洋(yang)杉葉片(pian)及(ji)仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面流體輸(shu)運(yun)性能(neng)。A酒精（紅色(se)）和(he)水(shui)（藍(lan)色(se)）在(zai)南(nan)洋杉葉片(pian)上(shang)的運(yun)動(dong)行為(wei)。其中，酒精沿(yan)著(zhe)鋸齒結(jie)構(gou)傾(qing)斜的方(fang)向(xiang)運(yun)動(dong)，而(er)水沿(yan)著(zhe)相反(fan)的方(fang)向(xiang)運(yun)動(dong)。B低表面(mian)能(neng)液體和(he)高表面能(neng)液體在(zai)仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面運動(dong)行為(wei)。

要點(dian)：研(yan)究(jiu)者發現(xian)，乙醇沿(yan)著(zhe)南洋杉葉片(pian)表面鋸(ju)齒結(jie)構(gou)傾(qing)斜的方(fang)向(xiang)運(yun)動(dong)，而(er)水沿(yan)著(zhe)反(fan)方向(xiang)運(yun)動(dong)，這種(zhong)通(tong)過調控液體性(xing)質(zhi)來控制其輸(shu)運(yun)方向(xiang)的現(xian)象尚(shang)未(wei)報(bao)道(dao)。受此啟(qi)發，研(yan)究(jiu)者研究(jiu)了(le)不同表(biao)面張力流體在(zai)仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面的輸(shu)運(yun)性能(neng)。研(yan)究(jiu)表明(ming)，該(gai)仿(fang)生(sheng)功(gong)能(neng)表(biao)面展現出(chu)和(he)南洋杉葉片(pian)相似的流體擇(ze)向(xiang)性(xing)能(neng)：低表面(mian)能(neng)流體沿(yan)著(zhe)鋸齒結(jie)構(gou)傾(qing)斜的方(fang)向(xiang)運(yun)動(dong)，而(er)高表面能(neng)流體沿(yan)著(zhe)與鋸齒(chi)結(jie)構(gou)傾(qing)斜相(xiang)反(fan)的方(fang)向(xiang)的運(yun)動(dong)。即(ji)使(shi)在(zai)長程輸(shu)運(yun)和圓(yuan)形表(biao)面(mian)上(shang)，流體依然(ran)保持(chi)良(liang)好的單向(xiang)輸(shu)運(yun)性能(neng)。

圖(tu)3 仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面流體自主(zhu)擇(ze)向(xiang)機(ji)理(li)。A/B低表面(mian)能(neng)液體和(he)高表面能(neng)液體在(zai)仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面的鋪展行為(wei)。C橫向(xiang)曲率(lv)結(jie)構(gou)懸(xuan)臂(bi)效(xiao)應(ying)力(li)學分析(xi)模(mo)型(xing)。D流體打破結(jie)構(gou)紮(zha)釘效(xiao)應(ying)的臨(lin)界(jie)狀態。E縱(zong)向(xiang)曲率(lv)結(jie)構(gou)懸(xuan)臂(bi)效(xiao)應(ying)力(li)學分析(xi)模(mo)型(xing)。F流體自主(zhu)擇(ze)向(xiang)現(xian)象和(he)表(biao)面(mian)結(jie)構(gou)及(ji)流體表(biao)面(mian)張力的關(guan)系(xi)。

要點(dian)：研(yan)究(jiu)者觀察發(fa)現，液體在(zai)仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面鋪展過(guo)程(cheng)中，低表面(mian)能(neng)液體固(gu)/液界面(mian)展(zhan)現自下而(er)上(shang)的鋪展模(mo)式，而(er)高表面能(neng)液體展(zhan)現(xian)自上(shang)而(er)下的鋪展模(mo)式。實(shi)際(ji)上(shang)，流體沿(yan)著(zhe)特定方(fang)向(xiang)的自發(fa)鋪展需要滿足(zu)兩個(ge)臨(lin)界(jie)條件：第(di)壹個(ge)，流體能(neng)接(jie)觸到相(xiang)鄰(lin)的鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)；第(di)二(er)，流體前(qian)端(duan)受(shou)到的驅(qu)動(dong)力(li)足(zu)夠(gou)克(ke)服(fu)結(jie)構(gou)的紮(zha)釘(ding)效(xiao)應(ying)。3D毛(mao)細(xi)鋸(ju)齒結(jie)構(gou)的亞(ya)毫米(mi)尺度(du)雙(shuang)重懸(xuan)臂(bi)結(jie)構(gou)特征(zheng)，能(neng)夠(gou)調(tiao)控不同表(biao)面張力流體兩(liang)個(ge)臨(lin)界(jie)條件的閾(yu)值，建立(li)3D空(kong)間上(shang)非對稱(cheng)固(gu)/液界面(mian)相(xiang)互(hu)作(zuo)用，進(jin)而(er)選擇(ze)流體的鋪展模(mo)式和(he)鋪展方(fang)向(xiang)，實(shi)現液體運(yun)動(dong)方(fang)向(xiang)的有(you)效(xiao)控制。這是(shi)仿(fang)南(nan)洋杉3D毛細鋸(ju)齒(chi)結(jie)構(gou)表(biao)面流體自主(zhu)擇(ze)向(xiang)的本(ben)質(zhi)。

該(gai)論文(wen)合作(zuo)者包括香(xiang)港(gang)城(cheng)市大(da)學機(ji)械工(gong)程系(xi)鄭煥(huan)璽、李(li)加(jia)乾，大(da)連理(li)工(gong)大(da)學機(ji)械工(gong)程學院詹海洋、陳(chen)琛、劉(liu)亞(ya)華教授，香(xiang)港(gang)城(cheng)市大(da)學生(sheng)物醫(yi)學科(ke)學系(xi)姚希(xi)副教授(shou)和(he)香(xiang)港大(da)學機(ji)械工(gong)程系(xi)王(wang)立秋(qiu)教授。