湖(hu)南(nan)大學(xue)王(wang)兆(zhao)龍團(tuan)隊：3D打(da)印(yin)制(zhi)備(bei)仿生(sheng)超疏水微(wei)結構(gou)用(yong)於(yu)微(wei)液(ye)滴(di)操(cao)縱

自然界(jie)中的(de)生物(wu)體(ti)為(wei)了能夠(gou)很好地適(shi)應外界(jie)環(huan)境，在不斷進化(hua)中擁有了自己獨.特的(de)能力(li)。早(zao)在宋代(dai)就有詩(shi)詞“出(chu)淤泥而不染(ran)，濯清漣而不妖(yao)"，這(zhe)其(qi)中描(miao)述(shu)的(de)是(shi)“荷(he)葉(ye)效應"——荷(he)葉(ye)表(biao)面(mian)由(you)於(yu)具有特殊排列(lie)的(de)微(wei)納(na)米(mi)結(jie)構(gou)而表(biao)現出(chu)對水的(de)排斥(chi)，這(zhe)種(zhong)現象被(bei)稱為(wei)超疏水現象。由(you)於(yu)具有超疏水結構(gou)的(de)表(biao)面(mian)在自清(qing)潔、抗(kang)腐蝕、流(liu)動(dong)減阻(zu)、油/水(shui)分離、微(wei)反應(ying)器和(he)液(ye)滴(di)操(cao)縱等(deng)領(ling)域具有較(jiao)強的(de)應用(yong)潛力。因此(ci)，通過(guo)“師法自(zi)然"的(de)方法來設(she)計(ji)並且制備(bei)出(chu)具有超疏水結構(gou)的(de)仿生(sheng)表(biao)面(mian)發展(zhan)迅(xun)速。科(ke)研(yan)工作(zuo)者們(men)已(yi)經(jing)研(yan)究開(kai)發了許(xu)多(duo)制取(qu)具有超疏水性(xing)質的(de)表(biao)面(mian)的(de)方法，然而想精確(que)制備(bei)具有復雜形(xing)狀的(de)仿生(sheng)微(wei)結構(gou)的(de)方法卻不容(rong)易，並且通過(guo)單(dan)獨控(kong)制(zhi)微(wei)結構(gou)的(de)尺(chi)寸(cun)來精(jing)確(que)控制(zhi)表(biao)面(mian)的(de)親(qin)疏水性(xing)質也極其(qi)重要。

彈尾(wei)蟲(chong)是(shi)壹種(zhong)依(yi)靠皮(pi)膚進行(xing)呼(hu)吸(xi)的(de)節(jie)肢類(lei)昆蟲，喜(xi)愛生(sheng)活(huo)在陰(yin)暗(an)潮(chao)濕(shi)的(de)環(huan)境中，為(wei)了適(shi)應環(huan)境，彈尾(wei)蟲(chong)在長期(qi)的(de)進化(hua)中在表(biao)皮(pi)逐漸形成了微(wei)蘑菇(gu)結(jie)構(gou)，這(zhe)種(zhong)結構(gou)使得彈尾(wei)蟲(chong)具有超疏液(ye)的(de)性(xing)質。受(shou)此(ci)啟發，湖(hu)南(nan)大學(xue)王(wang)兆(zhao)龍助(zhu)理教授(shou)、段輝(hui)高教授(shou)與(yu)上(shang)海(hai)交(jiao)通大學(xue)鄭平院士合作(zuo)，基於(yu)面(mian)投影微(wei)立體(ti)光(guang)刻(ke)3D打印(yin)技(ji)術(shu)制(zhi)備(bei)了具有微(wei)蘑菇(gu)結(jie)構(gou)陣列(lie)的(de)超疏水表(biao)面(mian)，液(ye)滴(di)在該表(biao)面(mian)的(de)接觸角(jiao)達到(dao)了171°，並且展(zhan)現花瓣(ban)效應。

圖1 仿生(sheng)超疏水結構(gou)的(de)設計(ji)及(ji)制備(bei)（A-C）彈尾(wei)蟲(chong)光(guang)鏡圖及(ji)其表(biao)皮(pi)結構(gou)的(de)掃描(miao)電(dian)子(zi)顯(xian)微(wei)鏡圖（D-E）面(mian)投影微(wei)立體(ti)光(guang)刻(ke)3D打印(yin)技(ji)術(shu)原(yuan)理(li)圖（F-H）3D打印(yin)平(ping)板(ban)、圓柱(zhu)以及(ji)微(wei)蘑菇(gu)結(jie)構(gou)的(de)的(de)浸潤性(xing)對比(bi)（I）花瓣(ban)效應

通過(guo)工藝(yi)參(can)數(shu)優化(hua)，該團隊(dui)通過(guo)精(jing)準調控(kong)微(wei)結構(gou)的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)間隙(xi)等(deng)物(wu)理(li)特征參(can)數(shu)對表(biao)面(mian)的(de)浸潤性(xing)實現了可控(kong)調節(jie)，液(ye)滴(di)在其表(biao)面(mian)上(shang)的(de)接觸角(jiao)可以從55°~171°變(bian)化(hua)。並且通過(guo)控(kong)制(zhi)微(wei)蘑菇(gu)的(de)高度(du)有效調控(kong)表(biao)面(mian)與(yu)水滴(di)的(de)粘附力(li)在71uN~99uN之間(jian)變(bian)化(hua)。

圖2. 通過(guo)精(jing)確(que)控(kong)制微(wei)蘑菇(gu)的(de)莖的(de)直徑（d）、高度(du)（h），蘑(mo)菇頭(tou)的(de)直徑（D）、高度(du)（H）以及(ji)相鄰(lin)蘑(mo)菇(gu)的(de)間隙(xi)（G）可控(kong)調節(jie)表(biao)面(mian)的(de)潤濕性(xing)。

圖3. 3D打印(yin)制(zhi)備(bei)的(de)超疏水微(wei)蘑菇(gu)結(jie)構(gou)應用(yong)於(yu)（A）微(wei)液(ye)滴(di)化(hua)學(xue)反應(ying)（C）液(ye)滴(di)無(wu)損轉移(yi)(D-F)液(ye)滴(di)的(de)可控(kong)融合(B)不同(tong)結構(gou)表(biao)面(mian)對水滴(di)的(de)粘附力(li)

在此基礎上(shang)，團隊(dui)利用(yong)制(zhi)備(bei)的(de)仿生(sheng)超疏水表(biao)面(mian)實現了微(wei)液(ye)滴(di)的(de)定(ding)向轉(zhuan)移(yi)和(he)可控(kong)融合，搭建了可用(yong)於(yu)微(wei)液(ye)滴(di)化(hua)學(xue)反應(ying)的(de)反應(ying)臺(tai)。相關(guan)研(yan)究成果在生物(wu)醫(yi)療(liao)、分(fen)析化(hua)學(xue)以及(ji)微(wei)流控(kong)等(deng)領(ling)域具有重要的(de)應用(yong)前景。

相關(guan)成果以題為(wei)3D-Printed Bioinspired Cassie–Baxter Wettability for Controllable Micro-droplet Manipulation的(de)論文發表(biao)在ACS Applied Materials & Interfaces上(shang)。其中論文的(de)第(di)壹作(zuo)者為(wei)湖(hu)南(nan)大學(xue)機(ji)械(xie)與(yu)運(yun)載工程(cheng)學(xue)院碩(shuo)士生尹(yin)球(qiu)，共同(tong)第(di)壹作(zuo)者為(wei)上(shang)海(hai)交(jiao)通大學(xue)博(bo)士生郭(guo)晴以及(ji)湖(hu)南(nan)大學(xue)王(wang)兆(zhao)龍助(zhu)理教授(shou)，共同(tong)通訊作(zuo)者為(wei)湖(hu)南(nan)大學(xue)王(wang)兆(zhao)龍助(zhu)理教授(shou)、段輝(hui)高教授(shou)及(ji)上(shang)海(hai)交(jiao)通大學(xue)鄭平院士。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c18952

來源：高分(fen)子科(ke)技(ji)