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當(dang)前(qian)位置：首(shou)頁(ye)技術(shu)文(wen)章江蘇(su)大(da)學(xue)張(zhang)忠(zhong)強(qiang)課題(ti)組：縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)表面液滴雙模(mo)式(shi)自運輸和水(shui)收(shou)集(ji)

江蘇(su)大(da)學(xue)張(zhang)忠(zhong)強(qiang)課題(ti)組：縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)表面液滴雙模(mo)式(shi)自運輸和水(shui)收(shou)集(ji)

更新時間(jian)：2023-12-04

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液滴自運輸對(dui)自然界中許(xu)多動植(zhi)物(wu)的生存起(qi)著至關重要(yao)的作用，而(er)自運輸速度(du)和距離(li)壹(yi)直是(shi)評(ping)價液滴運輸效(xiao)率的(de)關鍵指(zhi)標(biao)。雖(sui)然(ran)，通過(guo)結(jie)構設(she)計(ji)、表面處(chu)理等手段將(jiang)液滴的自運輸速度(du)提(ti)高到了數(shu)十(shi)毫米/秒量(liang)級，但由於液(ye)滴與織構基底特(te)征(zheng)尺(chi)寸的(de)匹配問(wen)題(ti)，制約(yue)了多尺(chi)度(du)液(ye)滴高效(xiao)自運輸的(de)實(shi)現(xian)。此外(wai)，織(zhi)構基底表面缺陷(xian)和粘(zhan)滯(zhi)作(zuo)用(yong)往往也(ye)會造成液滴的滯(zhi)留或(huo)產(chan)生殘(can)留水(shui)層，這(zhe)會阻(zu)礙霧(wu)滴在基底表面沈積，從而(er)降低霧(wu)水(shui)收(shou)集(ji)效(xiao)率。因(yin)此，如何實(shi)現(xian)多尺(chi)度(du)液(ye)滴的超(chao)快速、長距離(li)無(wu)損自運輸仍(reng)然(ran)是(shi)壹(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)。

針對(dui)上述問(wen)題(ti)，近(jin)期江蘇(su)大(da)學(xue)張(zhang)忠(zhong)強(qiang)教授團(tuan)隊(dui)制備(bei)出了壹(yi)種帶(dai)有(you)橫向梯度(du)微通道和環(huan)向凹(ao)槽(cao)的新型縱橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)，提(ti)出了功(gong)能(neng)表(biao)面梯度(du)表(biao)面張(zhang)力-毛(mao)細吮吸(xi)力(li)耦合作(zuo)用下液(ye)滴自運輸雙(shuang)模(mo)式(shi)，實(shi)現(xian)了多尺(chi)度(du)液(ye)滴超(chao)快速、長距離(li)無(wu)損自運輸。該(gai)研(yan)究成(cheng)果以(yi)“Cross-hatch Textured Cone Enables Dual-Mode Water Transport and Collection"為題(ti)發表(biao)在(zai)《Chemical Engineering Journal》期刊上。

研(yan)究通(tong)過(guo)摩方精密nanoArch® S140高精(jing)度(du)3D打(da)印(yin)機制備(bei)了縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)，實現(xian)了多尺(chi)度(du)液(ye)滴超(chao)快速定向長距離(li)自運輸，最(zui)大自運輸速度(du)可(ke)達208 mm/s，比具(ju)有(you)單壹(yi)曲(qu)率(lv)梯度(du)的(de)自然或(huo)仿生結構快1-4個(ge)數量(liang)級。縱橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)觸發(fa)了兩種(zhong)流(liu)體運(yun)輸模(mo)式(shi)：通(tong)過(guo)Young-Laplace壓(ya)力(li)差(cha)驅動的液(ye)滴和微通道內吮吸壓(ya)力(li)誘(you)導的(de)流(liu)體運(yun)輸。由(you)於環(huan)向凹(ao)槽(cao)連通(tong)了梯度(du)微通道，保(bao)證(zheng)了殘(can)留水(shui)層和滯(zhi)留(liu)在(zai)錐(zhui)體(ti)表(biao)面的液(ye)滴仍能(neng)自發的被運(yun)輸到錐(zhui)體根部(bu)，最(zui)終實現(xian)了液(ye)滴的完(wan)整(zheng)運(yun)輸。建(jian)立了吮(shun)吸壓(ya)力(li)的理論(lun)公(gong)式(shi)，闡(chan)明了滯(zhi)留液(ye)滴和殘(can)余(yu)水層自運輸的(de)驅動力來(lai)源(yuan)。此外(wai)，拓展了縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)在霧(wu)氣收(shou)集(ji)領(ling)域(yu)的應用(yong)。基於兩種(zhong)流(liu)體運(yun)輸模(mo)式(shi)，縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)的霧(wu)氣收(shou)集(ji)效(xiao)率是(shi)沒(mei)有(you)微通道的錐體的(de)兩倍左右。這(zhe)些(xie)發現(xian)將(jiang)為(wei)實(shi)現(xian)液(ye)滴的超(chao)快速長距離(li)無(wu)損自運輸提(ti)供(gong)新的思(si)路，並為(wei)水(shui)收(shou)集(ji)裝(zhuang)置的設計(ji)提(ti)供(gong)理論(lun)基礎(chu)。

該論(lun)文署(shu)名江蘇(su)大(da)學(xue)機械工(gong)程(cheng)學(xue)院/智(zhi)能(neng)柔性機(ji)械電(dian)子研(yan)究院為(wei)第(di)壹單位，張(zhang)福(fu)建(jian)博士為(wei)論(lun)文第(di)壹作(zuo)者(zhe)，張(zhang)忠(zhong)強(qiang)教授和丁(ding)建(jian)寧(ning)教(jiao)授為(wei)通(tong)訊作者(zhe)。論(lun)文所(suo)涉(she)及研(yan)究內(nei)容(rong)得(de)到了國(guo)家自然科學(xue)基金(jin)項(xiang)目的(de)資(zi)助。

圖(tu)1 縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)模型與結構表(biao)征(zheng)。（a）模型全(quan)景圖(tu)；（b）剖視圖(tu)；（c-d）局(ju)部(bu)放(fang)大圖(tu)；（b-d）比(bi)例(li)尺(chi)：100 μm。

圖(tu)2 縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)表面液滴自運輸。（a-b）帶(dai)/不(bu)帶微通道的錐體表(biao)面上液(ye)滴自運輸行(xing)為；（c）縱橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)表面液滴速度(du)和位移隨時間(jian)的變(bian)化(hua)；（d）縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)和其他潤(run)濕(shi)梯度(du)表(biao)面、非(fei)對(dui)稱(cheng)幾(ji)何(he)形(xing)狀表面上液(ye)滴運輸速度(du)的(de)對(dui)比(bi)。

圖(tu)3 縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)表面液滴運輸的(de)細節(jie)圖(tu)。（a）錐(zhui)體(ti)表(biao)面液滴通過(guo)後(hou)的(de)殘(can)留水(shui)層運(yun)輸行(xing)為；（b）錐體表面殘(can)留水(shui)層運(yun)輸示(shi)意圖(tu)。

圖(tu)4 縱(zong)橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)的傾(qing)角對(dui)液(ye)滴自運輸的(de)影(ying)響。（a）液滴自運輸速度(du)與時間(jian)的關系；（b）錐體表面滯留(liu)液(ye)滴的吮(shun)吸運(yun)輸行(xing)為；（c）錐體中部(bu)和末(mo)端(duan)兩液(ye)滴之(zhi)間(jian)的距離(li)L和吮(shun)吸(xi)時(shi)間(jian)與傾斜角度(du)的(de)關系。

圖(tu)5 微通道對(dui)水(shui)收集(ji)效(xiao)率的(de)影(ying)響。（a）單錐(zhui)集(ji)水(shui)速率對(dui)比(bi)；（b-c）在霧(wu)氣穩定收(shou)集(ji)階段, 帶(dai)/不(bu)帶微通道的錐體表(biao)面水層狀態(tai)；（d）縱橫織(zhi)構錐(zhui)體(ti)陣(zhen)列(lie)水(shui)收集(ji)裝(zhuang)置示(shi)意圖(tu)；（e）錐(zhui)陣(zhen)列(lie)水(shui)收集(ji)