仿(fang)松(song)針(zhen)多(duo)級非對稱結(jie)構(gou)超(chao)疏(shu)水表面(mian)多(duo)尺度(du)液滴定(ding)向(xiang)輸運

液(ye)滴的(de)自發(fa)定(ding)向(xiang)輸運在芯片實(shi)驗室(shi)、能源(yuan)電(dian)力系(xi)統(tong)、油(you)氣(qi)輸運、水收集(ji)和(he)除濕(shi)等(deng)領(ling)域具(ju)有廣泛的(de)應(ying)用前(qian)景(jing)，其(qi)主(zhu)要(yao)取決於表面(mian)形(xing)貌(mao)結(jie)構(gou)和(he)化學組成(cheng)的(de)非對稱性(xing)，具(ju)體(ti)表現(xian)為浸(jin)潤性(xing)梯度、各向(xiang)異性結(jie)構(gou)和(he)曲率(lv)梯(ti)度(du)等。液滴輸運(yun)的(de)速度(du)和(he)距離(li)是(shi)判(pan)定(ding)輸(shu)運效(xiao)率(lv)的(de)有效(xiao)指(zhi)標(biao)。合(he)理(li)的(de)設計(ji)並(bing)制(zhi)備表面(mian)結(jie)構(gou)是(shi)實現(xian)快(kuai)速、長程的(de)液滴自發(fa)定(ding)向(xiang)輸運的(de)有效(xiao)方法(fa)。然而(er)，傳(chuan)統(tong)的(de)加工技(ji)術(shu)加工精(jing)度(du)較(jiao)低(di)、加工結(jie)構(gou)單(dan)壹(yi)，很難(nan)滿(man)足(zu)結(jie)構(gou)性(xing)能要(yao)求。

近(jin)日，大(da)連(lian)理(li)工大(da)學馮(feng)詩樂副教授(shou)，受松(song)針(zhen)表面(mian)多(duo)級非對稱結(jie)構(gou)啟(qi)發，使(shi)用深(shen)圳摩(mo)方材料(liao)科技(ji)有限公(gong)司PμSL 3D打印技(ji)術(shu)（nanoArch® S140），制(zhi)備了仿(fang)松(song)針(zhen)多(duo)級非對稱結(jie)構(gou)表面(mian)，實(shi)現(xian)了快(kuai)速、長程的(de)液滴自發(fa)定(ding)向(xiang)輸運。該研究以(yi)“Tip-inducedflipping of droplets on Janus pillars: from local reconfiguration to globaltransport"為題(ti)發(fa)表在國(guo)際頂(ding)級期刊(kan)《ScienceAdvances》上(shang)，為液(ye)滴的(de)定(ding)向(xiang)輸運領(ling)域的(de)發展(zhan)提供(gong)了新(xin)的(de)思路(lu)。論文(wen)第壹(yi)作(zuo)者(zhe)為大(da)連(lian)理(li)工大(da)學馮(feng)詩樂副教授(shou)，通訊(xun)作(zuo)者(zhe)為香(xiang)港(gang)城(cheng)市大(da)學王鉆(zuan)開教授(shou)和(he)巴(ba)黎高等(deng)物(wu)理(li)化工學院David Quéré教(jiao)授(shou)。

圖1 松(song)針(zhen)和(he)仿(fang)松(song)針(zhen)多(duo)級非對稱結(jie)構(gou)表面(mian)的(de)形(xing)貌(mao)結(jie)構(gou)特征(zheng)

圖2 仿(fang)松(song)針(zhen)多(duo)級非對稱結(jie)構(gou)表面(mian)的(de)形(xing)貌(mao)結(jie)構(gou)參(can)數(shu)調(tiao)控

要點：研究者(zhe)借(jie)鑒(jian)松(song)針(zhen)表面(mian)結(jie)構(gou)特征(zheng)，設(she)計(ji)並(bing)制(zhi)備包(bao)括(kuo)第壹(yi)級的(de)傾(qing)斜陣列結構(gou)、第二級的(de)高度(du)梯度(du)結構(gou)和(he)第三級的(de)平面(mian)/曲面(mian)組合(he)的(de)半錐(zhui)形(xing)結(jie)構(gou)的(de)仿(fang)松(song)針(zhen)多(duo)級非對稱結(jie)構(gou)表面(mian)。上(shang)述表面(mian)（圖1）由(you)nanoArch S140微(wei)尺(chi)度3D打印設備加工，使(shi)用材料(liao)為HTL耐(nai)高(gao)溫樹(shu)脂，打印層厚為10微(wei)米(mi)。陣列間距為300微(wei)米(mi)，尖.錐(zhui)傾(qing)斜角(jiao)度β為70°，高(gao)度(du)梯度(du)α為20°，尖(jian).錐(zhui)頂(ding)端大小為10-20微(wei)米(mi)。在打印過(guo)程中(zhong)，通過(guo)精(jing)密(mi)刮(gua)刀(dao)刮(gua)除(chu)細小(xiao)的(de)氣(qi)泡，來(lai)保障加工質(zhi)量。同時，研究者(zhe)還設計(ji)了僅包(bao)含傾(qing)斜陣列結構(gou)和(he)半錐(zhui)形(xing)結(jie)構(gou)的(de)對照(zhao)樣(yang)品，與僅包(bao)含(han)傾(qing)斜陣列結構(gou)和(he)高度(du)梯(ti)度(du)結構(gou)的(de)對照(zhao)樣(yang)品。通過(guo)nanoArch S140微(wei)尺(chi)度3D打印技(ji)術(shu)，實現(xian)了包括(kuo)傾(qing)斜、高(gao)度梯度及(ji)平/曲面組合(he)的(de)復雜三維(wei)結構(gou)表面(mian)參(can)數(shu)的(de)精(jing)確(que)調(tiao)控及(ji)大規模制(zhi)備（圖2）。

圖3 仿(fang)松(song)針(zhen)多(duo)級非對稱結(jie)構(gou)表面(mian)微(wei)液(ye)滴自發(fa)定(ding)向(xiang)輸運

圖4 仿(fang)松(song)針(zhen)多(duo)級非對稱結(jie)構(gou)尖(jian).端效(xiao)應(ying)

要點：在凝(ning)結過(guo)程中(zhong)，液滴先(xian)隨機(ji)在表面(mian)凝(ning)結，然(ran)後(hou)向(xiang)尖.端匯(hui)聚(ju)，然後(hou)尖(jian).端液滴會(hui)在合(he)並(bing)過(guo)程中(zhong)重新(xin)配置(zhi)，並(bing)從(cong)半(ban)錐(zhui)形(xing)結(jie)構(gou)的(de)平面(mian)旋轉到(dao)曲(qu)面位置(zhi)，隨後(hou)合(he)並(bing)的(de)液滴會(hui)沿(yan)著高度增加的(de)方向(xiang)運動，進而(er)實(shi)現(xian)從(cong)微(wei)觀(guan)到宏觀的(de)多尺(chi)度液(ye)滴的(de)定(ding)向(xiang)輸運，其(qi)液滴定(ding)向(xiang)輸運的(de)速度(du)可以(yi)達(da)到10 cm/s。研究者(zhe)發(fa)現(xian)液滴在合(he)並(bing)過(guo)程中(zhong)重新(xin)配置(zhi)是(shi)非對稱結(jie)構(gou)誘導(dao)的(de)尖.端效(xiao)應(ying)導致(zhi)的(de)，並(bing)通過(guo)建立(li)能量(liang)變(bian)化模型(xing)證(zheng)明，當(dang)液(ye)滴尺寸(cun)大(da)於結構(gou)尺(chi)寸(cun)時(shi)，液滴坐落於(yu)平面(mian)的(de)系(xi)統(tong)能量(liang)大(da)於坐落於(yu)曲面(mian)上(shang)的(de)系(xi)統(tong)能量(liang)，從(cong)而(er)揭(jie)示(shi)了液滴從(cong)平(ping)面向(xiang)曲面運(yun)動的(de)機(ji)理(li)。研究者(zhe)發(fa)現(xian)毫(hao)米級的(de)液滴在合(he)並(bing)過(guo)程中(zhong)依然(ran)會(hui)從(cong)平(ping)面運動(dong)到弧面(mian)上(shang)，證(zheng)明非對稱結(jie)構(gou)誘導(dao)的(de)尖.端效(xiao)應(ying)普遍適用(yong)於各(ge)種尺度(du)的(de)液滴。

論文(wen)鏈接(jie): https://advances.sciencemag.org/content/6/28/eabb4540/