來自樹葉的(de)啟發，梯度槽(cao)耦(ou)合(he)表面(mian)實現高(gao)效(xiao)油(you)水分(fen)離(li)

隨著工業(ye)發展(zhan)，有機(ji)廢水非法排(pai)放導致(zhi)含(han)油(you)汙(wu)水激(ji)增(zeng)，因此(ci)，研發高(gao)效(xiao)油(you)水分(fen)離(li)技術(shu)成(cheng)為(wei)環(huan)保領域的關(guan)鍵難題。傳(chuan)統(tong)方(fang)法依賴(lai)如磁(ci)力(li)、電(dian)力驅(qu)動(dong)等外部(bu)能源(yuan)驅動(dong)，存(cun)在(zai)成(cheng)本高(gao)、設備(bei)復雜等局限。然(ran)而(er)，自然(ran)界中銀(yin)杏葉溝槽(cao)和松(song)針(zhen)錐(zhui)形等生物(wu)結構卻能巧妙利用(yong)物(wu)理(li)特(te)性實現液(ye)滴自驅(qu)動(dong)輸運，這壹現(xian)象(xiang)為(wei)新(xin)型(xing)分(fen)離(li)技術(shu)的(de)研發提(ti)供(gong)了(le)創新(xin)靈(ling)感。

近(jin)日(ri)，魯東大(da)學(xue)陳(chen)雪(xue)葉教(jiao)授團(tuan)隊受(shou)自(zi)然界(jie)啟(qi)發，將松(song)針(zhen)的錐(zhui)形結(jie)構與銀(yin)杏葉的(de)溝槽(cao)結(jie)構相結合(he)，利用(yong)摩方(fang)精(jing)密面投影微(wei)立體(ti)光(guang)刻(ke)（PμSL）技術(shu)制(zhi)備(bei)了(le)仿生(sheng)耦(ou)合(he)錐(zhui)梯度溝槽(cao)（BCGG），實現油(you)滴在(zai)無外部(bu)能源(yuan)下的逆(ni)重(zhong)力(li)自驅動(dong)輸運。該結構通(tong)過(guo)拉普(pu)拉(la)斯(si)壓(ya)力(li)與(yu)毛(mao)細(xi)力(li)協(xie)同(tong)作(zuo)用(yong)，實現了(le)油(you)滴的自(zi)驅動(dong)、跨界面(mian)高(gao)效(xiao)運輸，最大(da)運(yun)輸速度達55.2 mm/s，是傳(chuan)統(tong)錐(zhui)形結(jie)構的11倍(bei)，為(wei)油(you)水分(fen)離(li)領域提供(gong)了(le)新(xin)的(de)思(si)路(lu)和方(fang)法。

相(xiang)關(guan)成(cheng)果(guo)以“Microdroplet self-driven transport on the surface with bionic coupled cone-gradient groove"發表於國(guo)際期(qi)刊《Journal of Materials Chemistry A》上。霍(huo)緒(xu)堯副教(jiao)授和2023級(ji)研究(jiu)生(sheng)陳(chen)鑫坤(kun)為(wei)共同(tong)第(di)壹作(zuo)者(zhe)，陳(chen)雪(xue)葉教(jiao)授為(wei)通(tong)訊(xun)作(zuo)者(zhe)。

（1）本(ben)研究(jiu)將松(song)針(zhen)的錐(zhui)形結(jie)構與銀(yin)杏葉表面(mian)的溝槽(cao)結(jie)構結合(he)起來，設計了(le)壹種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)仿生(sheng)錐(zhui)形-梯度槽(cao)耦(ou)合(he)表面(mian)，具體(ti)的(de)設計理(li)念(nian)來源(yuan)和外觀(guan)形貌(mao)如(ru)圖(tu)1a所示，並通(tong)過(guo)摩方(fang)精(jing)密nanoArch® P150（精度：25 μm）3D 打印(yin)系(xi)統(tong)打印(yin)出(chu)BCGG結構。隨後(hou)將樣(yang)品(pin)放入處理(li)好的(de)化(hua)學溶(rong)液(ye)中浸泡(pao)塗覆(fu)二(er)氧化(hua)矽(gui)顆粒(li)，最後(hou)放入真空(kong)幹燥(zao)箱中(zhong)幹燥(zao)12小時得(de)到最終(zhong)的樣品(pin)（圖(tu)1b）。

圖(tu)1. BCGG的(de)設計與制造(zao)。(a)仿生(sheng)錐(zhui)形梯度槽(cao)耦(ou)合(he)面(mian)的(de)設計。(b)BCGG的制造(zao)過(guo)程(cheng)。

（2）通(tong)過(guo)測試(shi)7°、9°、11°、13°、15° 五(wu)種(zhong)錐(zhui)角的(de)BCGG逆(ni)重(zhong)力(li)輸油(you)性(xing)能，發現(xian)在(zai)錐(zhui)角為(wei)11° 時，平(ping)均運(yun)輸速度最快(kuai)（21.37 mm/s），因該角度下錐(zhui)形結(jie)構產生(sheng)的拉普拉(la)斯壓力與溝槽(cao)結(jie)構的毛細(xi)力(li)協(xie)同(tong)作(zuo)用(yong)最佳，錐(zhui)角過(guo)小或過(guo)大(da)均會(hui)導致驅動(dong)力(li)不(bu)足(zu)。同(tong)時，傾(qing)斜角度對(dui)輸運速(su)度有(you)顯(xian)著影(ying)響(xiang)，隨傾(qing)斜角度從0° 增(zeng)至30°，油(you)滴運輸速度從44.6 mm/s 降(jiang)至25.1mm/s，因重(zhong)力(li)垂(chui)直(zhi)分(fen)量增(zeng)大(da)導(dao)致阻力增(zeng)加(jia)。機(ji)理(li)分(fen)析表明(ming)，油(you)滴接觸(chu)結構後(hou)在(zai)毛(mao)細(xi)力(li)作(zuo)用(yong)下形成(cheng)油(you)膜(mo)減(jian)小阻力(li)，同(tong)時拉(la)普(pu)拉(la)斯力驅(qu)動(dong)油(you)滴逆(ni)重(zhong)力(li)向上，沿梯度溝槽(cao)運(yun)輸至吸油(you)海(hai)綿（圖2）。

圖(tu)2. BCGG結(jie)構參數(shu)優化(hua)。(a)不(bu)同(tong)頂角的(de)BCGG示意(yi)圖。(b)不(bu)同(tong)頂角的(de)BCGG在(zai)初(chu)始(shi)時(shi)刻(ke)將油(you)滴輸送到(dao)水下的圖像。(c)實際捕獲的圖像，時間(jian)為(wei)0.82秒(miao)。(d)不(bu)同(tong)頂角α的(de)BCGG抗(kang)重(zhong)力(li)（2µL）輸送油(you)滴的速(su)度。(e)BCGG輸送油(you)滴的機(ji)制圖(tu)。(f)不(bu)同(tong)傾(qing)斜角β（α=11）下BCGG輸送油(you)滴的速(su)度。

（3）在(zai)固(gu)定(ding)錐(zhui)角為(wei)11°的情(qing)況(kuang)下，研究(jiu)溝槽(cao)數(shu)量（2-5 個(ge)）對輸油(you)性(xing)能的影響(xiang)。研究(jiu)人員(yuan)發現(xian)隨著溝槽(cao)數(shu)量增(zeng)加(jia)，使得橫(heng)截面(mian)積(ji)增(zeng)大(da)、有(you)效(xiao)長度減(jian)小、毛細(xi)力(li)減弱(ruo)，油(you)滴運輸速度不(bu)僅下降(jiang)，且(qie)無溝槽(cao)圓錐(zhui)無法完(wan)成(cheng)運輸。因此(ci)，2-BCGG具有(you)最長的有(you)效(xiao)長度、優(you)異(yi)的(de)毛(mao)細(xi)力(li)性能，從而(er)展(zhan)現出(chu)最佳輸運效(xiao)率。對(dui)於不(bu)同(tong)體積(ji)油(you)滴，2-BCGG對6 µL油(you)滴仍保持(chi)9.1 mm/s速(su)度，10 µL油(you)滴可在(zai)8.45 s內(nei)完(wan)成(cheng)運輸，展(zhan)現了(le)大(da)體(ti)積(ji)油(you)滴輸運能力。不(bu)同(tong)傾(qing)斜角度下，2-BCGG速度始(shi)終(zhong)優於其(qi)他(ta)結(jie)構，在(zai)錐(zhui)角為(wei)30°時，油(you)滴速度是(shi)傳(chuan)統(tong)無溝槽(cao)錐(zhui)形結(jie)構的11 倍(bei)，且(qie)連(lian)續(xu)五(wu)個(ge)周期(qi)測試(shi)顯(xian)示其(qi)輸運性(xing)能穩定，重(zhong)復性良(liang)好。

圖(tu)3. BCGG結(jie)構參數(shu)及傳(chuan)輸特(te)性。(a)不(bu)同(tong)溝槽(cao)（2-BCGG、3-BCGG、4-BCGG、5-BCGG和無溝槽(cao)錐(zhui)體(ti)）的BCGG實物圖和橫截面(mian)。(b)不(bu)同(tong)溝槽(cao)（4µL）的(de)BCGG在(zai)重(zhong)力(li)作(zuo)用(yong)下的向上油(you)滴傳(chuan)輸速度。(c)不(bu)同(tong)體積(ji)油(you)滴在(zai)重(zhong)力(li)作(zuo)用(yong)下2-BCGG的傳(chuan)輸速度。(d) 2-BCGG在(zai)水下傳(chuan)輸大(da)體(ti)積(ji)油(you)滴。(e)不(bu)同(tong)溝槽(cao)的(de)BCGG在(zai)不(bu)同(tong)傾(qing)角下的油(you)滴傳(chuan)輸速度。(f)不(bu)同(tong)溝槽(cao)的(de)BCGG在(zai)連(lian)續(xu)五(wu)個(ge)周期(qi)內(nei)水下傳(chuan)輸油(you)滴的速(su)度。

（4）通(tong)過(guo)對比(bi)2-BCGG、無溝槽(cao)圓錐(zhui)、溝槽(cao)圓柱和無溝槽(cao)圓柱的(de)輸油(you)性(xing)能，揭(jie)示BCGG的驅(qu)動(dong)機(ji)理(li)：2-BCGG的(de)驅(qu)動(dong)力(li)為(wei)錐(zhui)形結(jie)構的拉普(pu)拉斯(si)壓力(li)（FL）和梯度槽(cao)的(de)毛細(xi)力(li)（FC），阻力(li)包括重(zhong)力(li)（FG）、滯後(hou)力（FH）和拖曳力(li)（FD），合(he)力(li)（F=FL+FC−FH−FD−FG）使油(you)滴逆(ni)重(zhong)力(li)運輸。無溝槽(cao)圓錐(zhui)僅依賴(lai)FL，合(he)力(li)不(bu)足(zu)導(dao)致(zhi)油(you)滴停滯中途；溝槽(cao)圓柱僅靠 FC 形成(cheng)細(xi)流(liu)，速(su)度緩(huan)慢(man)；無溝槽(cao)圓柱無驅動(dong)力(li)，油(you)滴聚集底(di)部(bu)。公(gong)式(shi)推(tui)導和受力(li)分(fen)析表明(ming)，FL與油(you)滴體積(ji)、錐(zhui)角及(ji)表面(mian)張力(li)差相(xiang)關(guan)，FC取決(jue)於溝槽(cao)幾(ji)何(he)和接觸(chu)角，兩(liang)者(zhe)協(xie)同(tong)作(zuo)用(yong)使2-BCGG具備(bei)高(gao)效(xiao)輸運能力。

圖(tu)4. 不(bu)同(tong)結構的傳(chuan)輸機制(zhi)對比(bi)。(a)2-BCGG過(guo)程(cheng)及水下抗(kang)重(zhong)力(li)油(you)滴傳(chuan)輸示意(yi)圖。(b)無槽錐(zhui)體(ti)水下抗(kang)重(zhong)力(li)油(you)滴傳(chuan)輸過(guo)程(cheng)圖及(ji)示意(yi)圖。(c)有(you)槽圓筒水下抗(kang)重(zhong)力(li)油(you)滴傳(chuan)輸過(guo)程(cheng)圖及(ji)示意(yi)圖。(d)無槽圓筒水下抗(kang)重(zhong)力(li)油(you)滴傳(chuan)輸過(guo)程(cheng)圖及(ji)示意(yi)圖。

（5）BCGG在(zai)多(duo)相(xiang)環(huan)境中表現(xian)出(chu)優異(yi)輸油(you)性(xing)能：空(kong)氣(qi)中(zhong)，2-BCGG可在(zai)57.17 s 內(nei)運(yun)輸1 µL油(you)滴，傳(chuan)統(tong)錐(zhui)形結(jie)構無法完(wan)成(cheng)；在(zai)液(ye) - 氣(qi)跨界面(mian)場景(jing)中，2-BCGG能將油(you)滴從水下拉至水面(mian)並(bing)運(yun)輸至根部(bu)，而(er)傳(chuan)統(tong)結構油(you)滴停滯界面(mian)。組(zu)裝(zhuang)體實驗顯示，隨BCGG數量從2個(ge)增(zeng)至5個(ge)，2 µL和15 µL油(you)滴分(fen)離(li)時間(jian)分(fen)別從0.58 s、0.86 s 降(jiang)至 0.15 s、0.37 s，接觸(chu)面積(ji)和溝槽(cao)數(shu)的增(zeng)加(jia)提(ti)升(sheng)了(le)油(you)滴分(fen)離(li)的效(xiao)率。基(ji)於BCGG設計的水下自驅動(dong)集油(you)裝(zhuang)置，無需外(wai)部(bu)能量，可捕(bu)獲油(you)滴並輸至吸油(you)海(hai)綿，1 小時內(nei)分(fen)離(li)約(yue)5 ml 油(you)，適(shi)用(yong)於石油(you)泄漏收(shou)集、有(you)機(ji)廢水處理(li)等場景(jing)，展(zhan)現廣(guang)闊應(ying)用(yong)前景(jing)。

圖(tu)5. 2-BCGG的(de)多(duo)種(zhong)應(ying)用(yong)。(a)2-BCGG與(yu)未加(jia)工錐(zhui)體(ti)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)油(you)傳(chuan)輸性能對比。(b)2-BCGG與未加(jia)工錐(zhui)體(ti)在(zai)液(ye)氣(qi)界(jie)面(mian)處的(de)抗(kang)重(zhong)力(li)油(you)傳(chuan)輸性能對比。(c)油(you)滴在(zai)界(jie)面(mian)處傳(chuan)輸機制(zhi)示意(yi)圖。(d)不(bu)同(tong)體積(ji)油(you)滴分(fen)離(li)時間(jian)與2-BCGG組(zu)件數(shu)量的關(guan)系(xi)。(e)2-BCGG陣(zhen)列收集微(wei)小油(you)滴的示意(yi)圖。(f)油(you)水混合(he)物(wu)、收(shou)集的(de)油(you)、分(fen)離(li)出(chu)的水、用(yong)紅色(se)染(ran)色(se)的(de)油(you)。

總(zong)結(jie)：

本(ben)研究(jiu)通(tong)過(guo)仿生(sheng)結(jie)構設計與3D打印(yin)技術(shu)結(jie)合(he)，開(kai)發了(le)兼具高(gao)效(xiao)傳(chuan)輸與環(huan)境適應(ying)性的(de)BCGG表面(mian)，為(wei)復雜環(huan)境下的油(you)滴收集提(ti)供(gong)了(le)新(xin)策略。其(qi)自(zi)驅動(dong)、無能耗的特(te)性在(zai)海(hai)洋(yang)漏油(you)回(hui)收、有機廢水處理(li)等領域具有廣闊應(ying)用(yong)前景(jing)。未來可進壹步(bu)拓展(zhan)至微流(liu)控(kong)芯(xin)片(pian)、生物(wu)傳(chuan)感等場景(jing)，推(tui)動(dong)仿生(sheng)功能材料的實際應用(yong)。