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當(dang)前(qian)位置(zhi)：首(shou)頁(ye)技術文(wen)章ACS AMI：3D打(da)印(yin)仿生(sheng)功(gong)能(neng)器(qi)件(jian)實(shi)現微網(wang)格(ge)結(jie)構(gou)水下自清潔(jie)

ACS AMI：3D打(da)印(yin)仿生(sheng)功(gong)能(neng)器(qi)件(jian)實(shi)現微網(wang)格(ge)結(jie)構(gou)水下自清潔(jie)

更(geng)新(xin)時(shi)間(jian)：2023-02-17

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金(jin)魚藻(zao)具(ju)有獨(du)。特(te)的(de)莖(jing)和(he)葉(ye)的(de)氣(qi)孔，其(qi)莖葉(ye)呈帶狀(zhuang)，寬度(du)小於(yu)0.5 mm，有(you)利於(yu)在日(ri)照和(he)空氣(qi)有限的(de)情(qing)況下有效進(jin)行光合(he)作(zuo)用(yong)（圖1a-c）。此(ci)外(wai)，金(jin)魚藻(zao)莖葉(ye)上的(de)氣(qi)孔不僅(jin)能(neng)與(yu)周(zhou)圍(wei)環境(jing)交(jiao)換氣(qi)體(ti)進(jin)行呼(hu)吸，還能(neng)阻(zu)止外界(jie)水(shui)流(liu)的(de)流(liu)入(ru)，這對(dui)金(jin)魚藻(zao)在水(shui)下(xia)的(de)生(sheng)存至(zhi)關(guan)重要(yao)。

圖(tu)1. 壹(yi)種仿生(sheng)功(gong)能(neng)開(kai)放細胞。(a)金(jin)魚藻(zao)。(b)金(jin)魚藻(zao)表(biao)面(mian)覆蓋著獨(du)。特(te)的(de)氣(qi)孔。(c)金(jin)魚藻(zao)表(biao)面(mian)單氣孔示(shi)意圖。(d)利(li)用PμSL 3D打(da)印(yin)技術制備(bei)仿生(sheng)開(kai)孔細(xi)胞。

受此啟(qi)發(fa)，湖南大學王兆龍副(fu)教(jiao)授、段(duan)輝高(gao)教(jiao)授與中科(ke)院(yuan)理(li)化所董智超研(yan)究(jiu)員，東南大學陳永平(ping)教(jiao)授及上海(hai)交(jiao)通大學鄭(zheng)平(ping)院(yuan)士合作(zuo)，在《ACS Applied Materials & Interfaces》期(qi)刊(kan)上發表(biao)了(le)題(ti)為(wei)“Underwater unidirectional cellular fluidics"的(de)文(wen)章。該文(wen)章利(li)用面(mian)投(tou)影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻技術(nanoArch S140，摩方精密(mi))制備(bei)了原樣品。在經過(guo)處(chu)理(li)後(hou)，形成(cheng)了外(wai)表(biao)面(mian)超親(qin)水和(he)內表(biao)面(mian)疏水的(de)多(duo)孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)（特(te)征(zheng)尺(chi)寸(cun)400微米(mi)），其(qi)不同接(jie)濕潤性(xing)產(chan)生(sheng)的(de)拉(la)普拉(la)斯力(li)（圖(tu)2）保(bao)證了多(duo)孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)的(de)液(ye)體(ti)單向性(xing)能(neng)，這使液(ye)體(ti)被(bei)多孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)阻(zu)擋(dang)在外(wai)，而(er)在多(duo)孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)內(nei)的(de)液(ye)體(ti)和(he)氣體(ti)能(neng)被(bei)排(pai)出。此外(wai)，多(duo)孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)的(de)幾何(he)參數對(dui)其(qi)獨(du)。特(te)的(de)單向流(liu)態性(xing)能(neng)有(you)很(hen)大的(de)影(ying)響(xiang)。該團隊也從理(li)論(lun)上揭示了液(ye)體(ti)在3D打(da)印(yin)多孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)中的(de)單向滲(shen)透(tou)機理(li)。最(zui)終(zhong)，還展示(shi)了多(duo)孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)在水(shui)下(xia)厭(yan)氧化學反應(ying)的(de)潛(qian)在應(ying)用(yong)。這種多孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)為(wei)水(shui)下化學和(he)微流(liu)體(ti)工(gong)程的(de)潛(qian)在應(ying)用(yong)打(da)開了(le)壹(yi)扇(shan)大門(men)，如易(yi)燃(ran)材(cai)料(liao)的(de)儲(chu)存、快(kuai)速固液分(fen)離(li)和(he)厭(yan)氧化學反應(ying)。

圖(tu)3.仿生(sheng)網(wang)格在水(shui)下(xia)的(de)單向流(liu)態特(te)性(xing)研(yan)究(jiu)。(a)水穿透(tou)孔的(de)示(shi)意圖。(b)不同情(qing)況下微孔的(de)水(shui)接(jie)觸(chu)線(xian)。(c)微孔外(wai)水滴(di)的(de)拉(la)普拉(la)斯壓力(li)。(d)仿生(sheng)網(wang)格的(de)單向滲(shen)透(tou)示意圖。(e)水(shui)下細(xi)胞流體(ti)性(xing)能(neng)測(ce)試(shi)模型(xing)。(f)兩個(ge)孔之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)對(dui)單向流(liu)體(ti)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)。(g)孔寬(kuan)對(dui)單向流(liu)態性(xing)能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)。

實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，由(you)於(yu)毛(mao)細力(li)的(de)作(zuo)用(yong)(圖3a-ⅰ)，水(shui)在孔的(de)末(mo)端(duan)以(yi)較(jiao)高(gao)的(de)速度(du)上升(圖(tu)3a-ⅱ)。而由(you)於(yu)慣性作(zuo)用(yong)，水將(jiang)會(hui)在達到出口(kou)之(zhi)後(hou)繼續(xu)上升(圖(tu)3a-ⅲ)，同時(shi)，拉(la)普拉(la)斯壓力(li)隨(sui)著(zhe)孔口(kou)液(ye)滴彎月面(mian)曲率(lv)減(jian)小(xiao)而(er)逐漸(jian)增大。當(dang)拉(la)普拉(la)斯壓力(li)達到最大時(shi)，如果(guo)水的(de)動(dong)能(neng)使(shi)動(dong)態(tai)接觸(chu)角(jiao)大於(yu)表(biao)面(mian)前(qian)進(jin)接觸(chu)角(jiao)，水將(jiang)會(hui)從孔中溢出(圖3a-c)。因(yin)此(ci)，鑒(jian)於(yu)內(nei)表(biao)面(mian)具(ju)備疏(shu)水性，水不能(neng)滲(shen)透(tou)到多孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)內(nei) (圖(tu)3d-ⅰ)。相(xiang)反，由(you)於(yu)另外壹(yi)側(ce)是超親(qin)水表(biao)面(mian)，最大拉(la)普拉(la)斯力(li)接(jie)近(jin)0，水(shui)將(jiang)從多孔仿微結(jie)構(gou)疏(shu)水(shui)側(ce)滲(shen)透(tou)到親(qin)水側(ce)(圖3d-ⅱ)，從而使得該仿生(sheng)結(jie)構具(ju)有優(you)異(yi)的(de)單向液(ye)體(ti)穿透(tou)能(neng)力(li)。

多(duo)孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)在水(shui)下(xia)的(de)單向滲(shen)透(tou)性能(neng)由(you)仿生(sheng)網(wang)格結構(gou)失去單向性(xing)前(qian)的(de)最(zui)大水(shui)深(shen)來表(biao)征(zheng)(圖(tu)3e-ⅰ)。矩(ju)形孔在水(shui)下(xia)的(de)單向流(liu)控性能(neng)最(zui)好，而(er)三(san)角形孔仿生(sheng)膜(mo)的(de)性(xing)能(neng)最(zui)差。此外(wai)，微結(jie)構(gou)厚(hou)度(du)對(dui)仿生(sheng)膜(mo)單向流(liu)控性能(neng)也有較(jiao)大的(de)影(ying)響(xiang)，在100 μm至(zhi)1000 μm範(fan)圍(wei)內(nei)，仿生(sheng)膜(mo)的(de)可持續(xu)水深(shen)隨膜(mo)厚(hou)的(de)增(zeng)加而增(zeng)加。但隨(sui)著膜(mo)厚(hou)的(de)增(zeng)加，可承(cheng)受水(shui)深(shen)將(jiang)保(bao)持在75 mm左右(you)。兩(liang)孔間(jian)距、孔寬(kuan)對(dui)仿生(sheng)膜(mo)水下(xia)單向流(liu)控性能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)分(fen)別如(ru)圖(tu)3f、g所示(shi)。對(dui)於(yu)150 μm孔，多(duo)孔仿生(sheng)微結(jie)構(gou)的(de)可承(cheng)受水(shui)深(shen)僅(jin)為(wei)10 mm左右(you)。當(dang)孔徑(jing)為300 μm左右(you)時(shi)，可承(cheng)受水(shui)深(shen)隨著(zhe)孔間(jian)距的(de)增(zeng)加迅速增加，達到 45 mm左右(you)。之(zhi)後(hou)，隨著(zhe)兩(liang)孔間(jian)距的(de)增(zeng)加，可承(cheng)受水(shui)深(shen)緩慢增(zeng)加(圖3f)。

圖(tu)4. 水下仿生(sheng)細(xi)胞內部(bu)的(de)化學反應(ying)。(a)水(shui)下仿生(sheng)細(xi)胞。(b)液滴滴(di)在仿生(sheng)細(xi)胞內表(biao)面(mian)時(shi)，仿生(sheng)細(xi)胞的(de)排(pai)水(shui)特(te)性。(c)液(ye)滴(di)滴在仿生(sheng)細(xi)胞外表(biao)面(mian)時(shi)的(de)拒(ju)水(shui)性(xing)能(neng)。(d)0.5mol▪L^-¹NaHCO₃與(yu)0.5mol▪L^-¹H₂SO₄在仿生(sheng)細(xi)胞內的(de)化學反應(ying)。(e)0.5mol▪L^-¹FeSO₄與(yu)0.5mol▪L^-¹NaOH在充(chong)滿CO₂的(de)仿生(sheng)細(xi)胞內的(de)化學反應(ying)。(f)我(wo)們的(de)仿生(sheng)細(xi)胞在水(shui)下(xia)的(de)自清潔(jie)性(xing)能(neng)。

基(ji)於(yu)仿生(sheng)網(wang)格的(de)優(you)異(yi)液(ye)體(ti)單向通(tong)過(guo)特性(xing)，研(yan)究(jiu)人員設計了(le)微網(wang)格(ge)結(jie)構(gou)組成(cheng)的(de)封(feng)閉(bi)仿生(sheng)細(xi)胞腔體(ti)。該仿生(sheng)腔(qiang)體(ti)具(ju)有疏(shu)水的(de)內(nei)壁(bi)面(mian)及超親(qin)水的(de)外(wai)壁(bi)面(mian)，從而使得外側(ce)的(de)水(shui)在壹(yi)定(ding)條件下無法(fa)穿過(guo)多孔仿生(sheng)網(wang)格進(jin)入仿生(sheng)細(xi)胞腔體(ti)內(nei)，從而形成(cheng)水下(xia)密(mi)閉(bi)空(kong)間(jian)。該仿生(sheng)細(xi)胞腔體(ti)被(bei)應用於(yu)微反應(ying)器(qi)(圖4a-c)。研(yan)究結果(guo)表(biao)明(ming)，由(you)於(yu)網(wang)格微米(mi)孔的(de)存在，產(chan)生(sheng)的(de)氣(qi)體(ti)可以(yi)自由出入仿生(sheng)細(xi)胞(圖3a-ⅲ)，並(bing)且可在水(shui)下(xia)形成(cheng)無氧(yang)環境(jing)，進(jin)而可實現(xian)保(bao)護(hu)氣作(zuo)用(yong)下的(de)特(te)殊(shu)化學反應(ying)。最(zui)重要(yao)的(de)是，由於(yu)仿生(sheng)網(wang)格獨(du)。特(te)的(de)液(ye)體(ti)單向特(te)性，該仿生(sheng)細(xi)胞在反應(ying)結(jie)束後(hou)會快(kuai)速排出腔體(ti)內(nei)的(de)所有(you)液體(ti)，具(ju)有極為(wei)優異(yi)的(de)水(shui)下(xia)自清潔(jie)特(te)性(xing)。

該項(xiang)研(yan)究成(cheng)果(guo)獲(huo)得國家自然科(ke)學基金(jin)委，湖南省優秀青(qing)年(nian)基金(jin)，廣(guang)東(dong)省重大專項(xiang)及(ji)國防科(ke)工局(ju)民(min)用(yong)航(hang)天項(xiang)目(mu)等研(yan)究項(xiang)目(mu)支(zhi)持，以(yi)“Underwater unidirectional cellular fluidics"為題發(fa)表(biao)於(yu)國(guo)際(ji)知(zhi)。名(ming)期刊(kan)《ACS Applied Materials & Interfaces》,14,7 (2022) 9891–9898，其(qi)中，湖南大學謝明鑄(zhu)碩(shuo)士(shi)生(sheng)為(wei)第(di)壹(yi)作(zuo)者。