多(duo)仿生槽(cao)錐刺結構(gou)實現(xian)跨氣-液(ye)界(jie)面(mian)微油(you)滴高(gao)效定(ding)向(xiang)操(cao)控

復雜(za)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)低(di)表面(mian)能(neng)液滴(di)操控對(dui)於混合(he)液(ye)相分(fen)離、化學(xue)微反(fan)應廢(fei)物(wu)處理等能(neng)源、環(huan)境(jing)與(yu)健康(kang)領域(yu)的(de)應用(yong)發展(zhan)具有(you)重(zhong)要指(zhi)導意義。具(ju)有(you)液(ye)體靶(ba)向(xiang)運(yun)輸控制功(gong)能(neng)的仿生結(jie)構(gou)表(biao)面(mian)為(wei)微滴(di)操(cao)控提供了(le)壹(yi)種(zhong)能(neng)耗(hao)更低、制備(bei)工藝(yi)更簡(jian)單(dan)的(de)解決(jue)策(ce)略(lve)。目前實現(xian)基底表(biao)面(mian)液滴(di)智(zhi)能(neng)運輸(shu)主要(yao)依(yi)賴於材料(liao)潤(run)濕性(xing)梯(ti)度(du)和(he)結(jie)構(gou)的(de)不對(dui)稱(cheng)性，且相關研究均集中於水(shui)處理。油(you)等低(di)表面(mian)能(neng)液滴(di)的低(di)接觸角滯(zhi)後(hou)和(he)接觸線(xian)滑(hua)移使(shi)其(qi)相比(bi)水(shui)運(yun)動(dong)路(lu)徑(jing)更難控制，盡(jin)管(guan)具有(you)親(qin)油(you)表面(mian)的傳(chuan)統(tong)圓(yuan)錐形結(jie)構(gou)可(ke)以實現(xian)微油(you)滴的自運輸(shu)，但復雜(za)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)實用性(xing)、大容量(liang)自發連續低表面(mian)張力(li)微液(ye)滴(di)輸送(song)系統是(shi)亟(ji)待(dai)解決(jue)的(de)行業難題與(yu)挑戰(zhan)。如(ru)何突破現(xian)有(you)微滴(di)操(cao)控不(bu)對(dui)稱(cheng)性結(jie)構(gou)的(de)功(gong)能(neng)局(ju)限實現(xian)微油(you)滴氣-液(ye)界(jie)面(mian)跨相傳(chuan)輸提取更是(shi)鮮(xian)有(you)研究。

近日(ri)，西南科(ke)技(ji)大學(xue)微納(na)仿生系(xi)統與(yu)智能(neng)化研究團隊(dui)李國(guo)強(qiang)教授(shou)與(yu)海河(he)實驗室曹(cao)墨(mo)源研究員合(he)作(zuo)，受魚刺微油(you)滴操控功(gong)能(neng)、水(shui)稻(dao)葉表(biao)面(mian)各向(xiang)異性液滴滑(hua)動現(xian)象(xiang)啟(qi)發，利用(yong)PμSL高(gao)精(jing)密(mi)3D打(da)印（摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)，nanoArch S140，P150）技(ji)術制備(bei)了(le)壹(yi)種(zhong)多(duo)仿生槽(cao)錐刺結構(gou)（BGCS）實現(xian)水(shui)下(xia)油(you)滴的逆(ni)重(zhong)力高(gao)效運(yun)輸與(yu)收集。在非對(dui)稱(cheng)拉普拉(la)斯壓力和(he)表(biao)面(mian)毛細力的(de)協(xie)同作用下，所(suo)設計(ji)的2-BGCS結(jie)構(gou)具(ju)備(bei)在(zai)水(shui)下(xia)、空(kong)氣以及跨氣-液(ye)兩(liang)相界(jie)面(mian)超快(kuai)、連續傳輸油(you)滴的功(gong)能(neng)，運輸(shu)速(su)度(du)最(zui)高(gao)可(ke)達(da)70.2 mm/s。與(yu)傳統(tong)圓(yuan)錐形(xing)結(jie)構(gou)相比(bi)，傾斜(xie)角20°時(shi)，2-BGCS結構(gou)的(de)輸送(song)速(su)度(du)提高(gao)9倍。在逆(ni)重(zhong)力傳(chuan)輸油(you)滴時(shi)，2-BGCS結構(gou)能(neng)夠(gou)提升超(chao)過(guo)22 μL的重(zhong)油(you)滴，通量(liang)提升5倍，極大(da)的(de)改善(shan)了(le)圓(yuan)錐(zhui)結(jie)構(gou)的(de)功(gong)能(neng)與(yu)性能(neng)，且具(ju)有(you)輸(shu)運大(da)體積油(you)滴的潛(qian)力(li)。仿生槽(cao)錐刺集油(you)陣(zhen)列(lie)裝(zhuang)置(zhi)表(biao)現(xian)出在(zai)水(shui)環(huan)境(jing)下(xia)連續、自發地(di)收集油(you)滴的性能(neng)。該研究為(wei)復雜(za)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)油(you)滴從輸送(song)到收集提供了(le)壹(yi)種(zhong)集成、通用(yong)的新(xin)策(ce)略(lve)，在水(shui)下(xia)微油(you)滴收集系統、生(sheng)物(wu)分(fen)析(xi)及汙(wu)染(ran)治(zhi)理(li)等領域(yu)具(ju)有(you)廣(guang)闊的(de)應用(yong)前景。

評(ping)審人對(dui)該工作給(gei)予高(gao)度(du)評(ping)價：基於錐形(xing)結構(gou)和(he)溝槽(cao)結構(gou)的(de)巧妙結(jie)合(he)和(he)功(gong)能(neng)設計(ji)為(wei)微流(liu)控等領域(yu)提供新(xin)的仿生策(ce)略(lve)。該工作以“Directional and Adaptive Oil Self-transport on a Multi-bioinspired Grooved Conical Spine”為(wei)題發(fa)表在(zai)著名(ming)期刊(kan)《Advanced Functional Materials》上。西(xi)南科(ke)技(ji)大學(xue)機械工程2019級(ji)碩(shuo)士生(sheng)李耀(yao)霞和(he)中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)技(ji)術大(da)學(xue)儀器科學(xue)與(yu)技(ji)術2021級(ji)博(bo)士生(sheng)崔(cui)澤航(hang)為(wei)共(gong)同壹作，通訊作者(zhe)為(wei)李國(guo)強(qiang)教授(shou)和(he)曹(cao)墨(mo)源研究員。

圖1 仿生槽(cao)錐刺結構(gou)的(de)設計(ji)與(yu)性能(neng)對(dui)比。受(shou)魚刺和(he)水(shui)稻(dao)葉啟(qi)發，利用(yong)精(jing)密(mi)3D打(da)印制備(bei)了(le)不(bu)同槽(cao)個數的仿生錐(zhui)形結(jie)構(gou)。梯(ti)度(du)槽(cao)和(he)錐(zhui)形結(jie)構(gou)的(de)結合(he)，使(shi)仿生結(jie)構(gou)具(ju)備(bei)水(shui)下(xia)超(chao)快(kuai)逆(ni)重(zhong)力定(ding)向(xiang)傳(chuan)輸(shu)功(gong)能(neng)，對(dui)比不(bu)同槽(cao)數的仿生結(jie)構(gou)以及傳統(tong)錐形(xing)結構(gou)，2-BGCS結(jie)構(gou)的(de)運輸(shu)效。果(guo)。最(zui)。佳(jia)。

圖2 不(bu)同結構(gou)連續輸送(song)油(you)滴及理論機(ji)制的(de)比(bi)較(jiao)。對(dui)仿生槽(cao)錐形(xing)結(jie)構(gou)、傳(chuan)統錐(zhui)形結(jie)構(gou)以及對(dui)稱(cheng)圓柱(zhu)結(jie)構(gou)在(zai)水(shui)下(xia)進(jin)行連續逆(ni)重(zhong)力輸(shu)送(song)實驗對(dui)比，微油(you)滴在不同結構(gou)上連續運輸的(de)高(gao)度(du)對(dui)比說(shuo)明(ming)仿生槽(cao)錐形(xing)結(jie)構(gou)上的(de)微油(you)滴能(neng)夠(gou)不斷(duan)連續輸送(song)，且不(bu)影響下(xia)壹次(ci)循環(huan)。基於不同結構(gou)對(dui)比實驗，對(dui)油(you)滴沿結構(gou)運(yun)輸的(de)模型(xing)進(jin)行機(ji)理分(fen)析(xi)。

圖3 仿生槽(cao)錐刺結構(gou)在(zai)不同環(huan)境(jing)下(xia)油(you)滴運輸的應用(yong)。基於仿生槽(cao)錐形(xing)結(jie)構(gou)水(shui)下(xia)逆(ni)重(zhong)力油(you)滴運輸的優異性能(neng)，進(jin)壹步探討了(le)在(zai)多(duo)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)油(you)滴運輸功(gong)能(neng)，不僅(jin)能(neng)夠(gou)實現(xian)微油(you)滴在空氣中(zhong)的(de)超(chao)快輸(shu)送(song)，還可(ke)以實現(xian)氣-液(ye)界(jie)面(mian)跨相油(you)滴傳輸，集成收集裝置(zhi)能(neng)夠(gou)實現(xian)水(shui)下(xia)油(you)滴的大通量(liang)收集。

小結

綜上所(suo)述，受(shou)魚刺空中油(you)滴定(ding)向(xiang)輸(shu)送(song)以及水(shui)稻(dao)葉各(ge)向(xiang)異性槽(cao)的啟(qi)發，作(zuo)者借(jie)助精(jing)密(mi)3D打(da)印制備(bei)新(xin)型(xing)仿生功(gong)能(neng)結構(gou)，由(you)錐形結構(gou)產(chan)生的(de)非對(dui)稱(cheng)拉普拉(la)斯壓力和(he)凹(ao)槽(cao)結構(gou)產(chan)生的(de)表面(mian)毛細力的(de)共(gong)同作用下，提高(gao)了(le)油(you)滴在水(shui)下(xia)傳(chuan)輸(shu)能(neng)力，極(ji)大的(de)改善(shan)了(le)傳(chuan)統(tong)圓(yuan)錐(zhui)結(jie)構(gou)的(de)功(gong)能(neng)與(yu)性能(neng)。同時(shi)，利用(yong)不(bu)對(dui)稱(cheng)結構(gou)實現(xian)油(you)滴跨氣-液(ye)兩(liang)相界(jie)面(mian)的精(jing)準(zhun)高(gao)效傳(chuan)輸，仿生槽(cao)錐刺集油(you)陣(zhen)列(lie)裝(zhuang)置(zhi)實現(xian)在水(shui)環(huan)境(jing)下(xia)超(chao)快(kuai)、連續收集油(you)滴，為(wei)復雜(za)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)油(you)滴從輸送(song)到收集提供了(le)新(xin)的方(fang)法。

微納(na)仿生系(xi)統與(yu)智能(neng)化團隊(dui)壹直(zhi)致力(li)於超快(kuai)激光(guang)微納(na)精(jing)密(mi)制造和(he)超(chao)精(jing)密(mi)3D/4D打(da)印制造的基礎(chu)研究與(yu)應用(yong)研究，以開發微納(na)功(gong)能(neng)結構(gou)、芯片(pian)、器(qi)件及集成系統(tong)為(wei)目(mu)標(biao)，服(fu)務於能(neng)源、環(huan)境(jing)、健康(kang)等重(zhong)點(dian)領域(yu)。近(jin)年(nian)來，該團隊報(bao)道(dao)了(le)壹(yi)系(xi)列(lie)高(gao)水(shui)平(ping)研究成果(guo)，包括水(shui)平(ping)振動模(mo)式高(gao)性(xing)能(neng)微滴(di)定(ding)向(xiang)驅(qu)動(dong)（Adv. Mater., 2020, 2005039），飛(fei)秒激光誘導自生長(chang)蘑(mo)菇頭(tou)凹角結(jie)構(gou)微柱(zhu)（Nano Lett., 2021, 21, 9301−9309; ACS Nano2022, 16, 2730-2740），激(ji)光3D打(da)印和(he)飛(fei)秒激(ji)光直寫(xie)構(gou)築(zhu)仿魚骨(gu)微液(ye)滴(di)多(duo)相分(fen)流(liu)器(qi)、仿荻草(cao)葉保(bao)水(shui)功(gong)能(neng)“即(ji)插(cha)即(ji)用(yong)”式高(gao)效集水(shui)灌(guan)溉(gai)裝(zhuang)置(zhi)（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 9719; J. Mater.Chem. A, 2021, 9, 5630; Nano-Micro Lett., 2022,14:97），精(jing)密(mi)3D打(da)印構(gou)建(jian)仿生麥(mai)芒分級(ji)系統(tong)用(yong)於高(gao)效霧(wu)水(shui)收集、受蚊眼(yan)啟(qi)發的(de)激光織構(gou)化仿生多(duo)功(gong)用玻璃（Chem. Eng. J, 2020.125139; Chem. Eng. J,2021.129113），壹種用(yong)於微樣(yang)分析(xi)的仿生微滴(di)操(cao)控器(qi)（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 14741−14751）等40余(yu)篇。這(zhe)些(xie)重(zhong)要成(cheng)果(guo)體現(xian)了(le)機(ji)械(xie)工程學(xue)科在科學(xue)研究和(he)人(ren)才培(pei)養方(fang)面(mian)的新(xin)成就。

該(gai)研究受到(dao)國(guo)防(fang)科(ke)工局(ju)十(shi)四五基礎(chu)科研計(ji)劃項目(mu)、裝(zhuang)備(bei)預研領域(yu)基金項(xiang)目、國(guo)家自然(ran)科學(xue)基金項(xiang)目、四川省(sheng)科技(ji)創(chuang)新(xin)基金等項(xiang)目的支(zhi)持。