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西南科大 JMCA：在仿雪花圖案多功能用于微液滴操控研究方面取得進(jìn)展
2023-04-15  來(lái)源：高分子科技
  近日，西南科大制造學(xué)院制造過(guò)程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納仿生制造團(tuán)隊(duì)提出了一種具有雙定向潤(rùn)濕性的多功能雪花圖案界面用于高效、精準(zhǔn)的次序微液滴操控的方法，并以“Sequence liquid manipulation on a multifunctional snowflake-patterned interface with dual unidirectional wettability”為題，發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》（SCI一區(qū)，IF：14.511）上。制造學(xué)院機(jī)械工程2020級(jí)碩士生吳威明為論文的第一作者，通訊作者為制造學(xué)院機(jī)械工程學(xué)科李國(guó)強(qiáng)教授，南開(kāi)大學(xué)曹墨源教授以及中南大學(xué)銀愷教授。 



  微流控器件在霧水收集、化學(xué)微反應(yīng)、生物醫(yī)學(xué)分析等方面具有重要的應(yīng)用前景。微滴操控技術(shù)目前在眾多研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，利用仿生幾何結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性機(jī)制以實(shí)現(xiàn)液體的高效驅(qū)動(dòng)模式已受到研究人員的廣泛關(guān)注。相關(guān)研究人員在微液滴驅(qū)動(dòng)的操控方式、界面材料、傳輸性能以及功能性應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量的研究，取得了巨大的進(jìn)展。雖然目前的研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)液滴的定向輸運(yùn)，但在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效、適應(yīng)性強(qiáng)的連續(xù)微液滴運(yùn)輸仍存在一定的挑戰(zhàn)。此外，多仿生機(jī)制協(xié)同策略實(shí)現(xiàn)液滴的精準(zhǔn)次序操控，更是鮮為研究。 



  針對(duì)這一難題，受雪花的多級(jí)分形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，結(jié)合仙人掌錐刺的幾何不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和穿孔荷葉的潤(rùn)濕性梯度定向液滴運(yùn)輸?shù)撵`感，提出了一種基于飛秒激光制備的多功能雪花狀圖案化界面（MSPI）用于次序微液滴操控。由于雙不對(duì)稱(chēng)機(jī)制的協(xié)同作用，該界面能夠以雙重定向路徑實(shí)現(xiàn)液滴的運(yùn)輸，即第一階段液滴在圖案表面的定向運(yùn)輸和第二階段液滴在微錐孔陣列上不可逆的穿透，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液滴從限域親水圖案向非限域超親水表面的定向運(yùn)輸。液滴雙定向運(yùn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)主要?dú)w結(jié)于第一步的圖案表面運(yùn)輸為第二步的定向穿透儲(chǔ)存了足夠的表面能量。 



  對(duì)多功能雪花狀圖案化界面的液滴運(yùn)輸性能進(jìn)行探討分析，深入研究了液滴在界面的兩步次序運(yùn)輸行為，對(duì)液滴在平放、傾斜以及倒置的界面運(yùn)輸進(jìn)行了性能分析。結(jié)果表明，在水平界面上完成次序運(yùn)輸過(guò)程僅需要0.54 s，即使在倒置的姿態(tài)下完成連續(xù)10次的逆重力液滴運(yùn)輸僅耗時(shí)33.64 s，證明了多功能雪花狀圖案化界面良好的液滴運(yùn)輸性能。此外，通過(guò)乙醇水溶液互溶配比了不同表面張力的液體，研究了不同表面張力液體在潤(rùn)濕性不對(duì)稱(chēng)楔形通道上的運(yùn)輸性能，得出結(jié)論：液滴表面張力增大的過(guò)程中，其在楔形槽上的運(yùn)輸速度也呈增大趨勢(shì)。 



  為了探索該界面的功能化應(yīng)用潛力，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于MSPI的兩種新應(yīng)用。在微化學(xué)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了兩種微液滴的精準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)和固液分離；多功能雪花狀圖案化界面的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)也被證明具有良好的集霧效應(yīng)與定點(diǎn)澆灌能力，可以精準(zhǔn)地為霧環(huán)境中的植物提供直接的水資源。


  本研究為多機(jī)制協(xié)同策略實(shí)現(xiàn)液滴操控開(kāi)發(fā)了有益平臺(tái)，為復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下的液滴操控提供了一種自適應(yīng)、高效的方法，在環(huán)境、健康、能源等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值。審稿人認(rèn)為這項(xiàng)工作提出了一種新穎的方法，結(jié)合了雪花，仙人掌刺幾何結(jié)構(gòu)和荷葉潤(rùn)濕特性的表面功能化，所設(shè)計(jì)的功能化結(jié)構(gòu)對(duì)于一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。本課題將前沿的仿生設(shè)計(jì)理念與尖端的微納精密制造技術(shù)相結(jié)合，致力于微液滴運(yùn)輸收集效率低與應(yīng)用功能局限等難題的解決，選題體現(xiàn)了基礎(chǔ)研究應(yīng)面向環(huán)境能源等領(lǐng)域需求、堅(jiān)持“問(wèn)題導(dǎo)向”的原則，體現(xiàn)了材料學(xué)、流體力學(xué)、納米技術(shù)等多學(xué)科交叉、融合等特點(diǎn)和特色。


  微納仿生制造團(tuán)隊(duì)成立于2017年，團(tuán)隊(duì)秉持“嚴(yán)謹(jǐn)、高效、卓越、創(chuàng)新”的科研精神，堅(jiān)持以“認(rèn)同理念、服從管理”為基本原則，實(shí)行“科學(xué)、協(xié)作、卓越”的運(yùn)作和管理機(jī)制。自成立以來(lái)，該團(tuán)隊(duì)一直致力于超快激光微納精密制造和超精密3D/4D打印技術(shù)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，旨在開(kāi)發(fā)微納功能結(jié)構(gòu)、芯片、器件及集成系統(tǒng)，為能源、環(huán)境、健康等重點(diǎn)領(lǐng)域服務(wù)。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一系列高水平研究成果，主要包括：具有不對(duì)稱(chēng)孔隙率和減阻特性的高性能馬蘭戈尼水凝膠轉(zhuǎn)子（Nat. Commun.,2023, 14, 1, 1928），水平振動(dòng)模式高性能微滴定向驅(qū)動(dòng)（Adv. Mater., 2020， 2005039），跨氣-液界面微油滴高效精準(zhǔn)操控（Adv. Funct. Mater., 2022, 2201035），飛秒激光誘導(dǎo)自生長(zhǎng)蘑菇頭凹角結(jié)構(gòu)微柱（Nano Lett., 2021, 21, 9301-9309; ACS Nano 2022, 16, 2730-2740），激光3D打印和飛秒激光直寫(xiě)構(gòu)筑仿魚(yú)骨微液滴多相分流器、仿荻草葉保水功能“即插即用”式高效集水灌溉裝置（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 9719; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 5630; Nano-Micro Lett., 2022, 14:97），精密3D打印構(gòu)建仿生麥芒分級(jí)系統(tǒng)用于高效霧水收集、受蚊眼啟發(fā)的激光織構(gòu)化仿生多功用玻璃（Chem. Eng. J. 2020, 125139; Chem. Eng. J. 2021, 129113），用于微樣分析的仿生微滴操控器研究（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 14741-14751）等60余篇。這些具有前瞻性和創(chuàng)造性的研究成果在引領(lǐng)機(jī)械工程領(lǐng)域前沿發(fā)展方向、鼓勵(lì)基礎(chǔ)理論創(chuàng)新、發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)高質(zhì)量人才等方面發(fā)揮了重要的導(dǎo)向作用。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA01120H

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